WO2018193109A1 - Mems converter for interaction with a volume flow rate of a fluid, and method for producing same - Google Patents

Mems converter for interaction with a volume flow rate of a fluid, and method for producing same Download PDF

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Harald Schenk
Holger Conrad
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Definitions

  • MEMS converter for interacting with a volumetric flow of a fluid and method for producing the same description
  • the present invention relates to a MEMS converter for interacting with a volumetric flow of a fluid, such as a MEMS loudspeaker, a MEMS microphone or a MEMS pump, and in particular MEMS transducers with an integrated electronic circuit.
  • the present invention further relates to a device having such a MEMS converter and to a method for manufacturing a MEMS converter. Further, the present invention relates to MEMS-CMOS (complementary metal oxide semiconductor) loudspeaker systems on a chip.
  • MEMS-CMOS complementary metal oxide semiconductor
  • MEMS microelectromechanical system
  • electroacoustic MEMS loudspeakers are currently being insignificantly commercialized.
  • MEMS loudspeakers consist of a diaphragm, which is deflected quasi-statically or resonantly by a selected physical action principle. The deflection depends linearly or non-linearly on the applied electrical signal (current or voltage). The signal has a temporal variation, which is transmitted in a temporal variation of the diaphragm deflection.
  • the reciprocating motion of the membrane is transmitted in the form of sound in the surrounding fluid, for the sake of simplifying but not limiting air can be assumed in the following.
  • the actuation of the membrane takes place in one direction only.
  • the restoring force is then provided by the mechanical spring effect with diaphragm deflection.
  • the actuation takes place in both directions, so that the membrane can have a very low rigidity.
  • Electrostatically operated converters are based on the force which results between two planar electrodes covered with different electrical potential.
  • the arrangement corresponds to a plate capacitor, wherein one of the two plates is movably suspended.
  • the movable electrode is designed as a membrane to avoid an acoustic short circuit.
  • the membrane warps in the direction of the counterelectrode.
  • the membrane is operated in the so-called touch-mode.
  • the membrane touches the lower electrode to which a thin insulator layer is applied to avoid a short circuit, as described, for example, in [2].
  • the bearing surface is determined by the size of the applied electrical voltage and thus varies in time according to the time course of this voltage.
  • the oscillation thus generated serves to generate sound.
  • the membrane in principle, in the classical electrostatic structure, the membrane can be attracted only in the direction of the electrode.
  • the restoring force can be determined at least in part by the rigidity of the membrane and must be sufficiently high in order to be able to transmit the higher frequencies in the area of auditory sound.
  • This loudspeaker uses a total of two such diaphragms suspended inside a cavity which, like a micropump, has an inlet and an outlet and is otherwise closed.
  • Piezoelectric powered converters use the inverse piezoelectric effect.
  • An applied electrical voltage leads to a mechanical stress in a solid.
  • MEMS technology typically materials such as PZT (lead zirconate titanate), AIN (aluminum nitride) or ZnO (zinc oxide) are used. These materials are usually applied as a functional layer on a membrane and structured so that the membrane depending on the electrical voltage applied to the functional layer, can be deflected or excited to vibrate.
  • PZT lead zirconate titanate
  • AIN aluminum nitride
  • ZnO zinc oxide
  • a disadvantage of piezoelectric functional layers is the fact that the operation can not be done without hysteresis.
  • CMOS comple- mentary metal oxide semiconductor, complementary metal oxide semiconductor
  • Electromagnetically operated transducers are based on the force effect that a soft magnetic material undergoes in a spatially variable magnetic field (gradient).
  • a permanent magnet and a coil is required in addition to the soft magnetic material, by means of which the local gradient of the magnetic field via current flow can be controlled in time.
  • the soft magnetic material is integrated, for example, in the membrane. All other components are provided in the assembly, as described for example in [4].
  • the structure is voluminous, complex and does not seem to make sense to scale for high volumes.
  • Electrodynamically operated converters make use of the Lorentz force. This method, which is very widespread in macroscopic loudspeakers, has also been used in some MEMS loudspeakers.
  • the magnetic field is generated by a permanent magnet.
  • a current-carrying coil is placed in the magnetic field.
  • the coil is integrated into the membrane by deposition and structuring of a metal layer and the permanent magnet is added as an external component in the assembly.
  • the complexity and limitations of integrating all components into MEMS technology are a similar drawback as with electromagnetically driven transducers.
  • Magnetostrictively operated converters are based on a contraction or expansion of a functional layer when the magnetic field is applied.
  • vanadium permadur is positively magnetostrictive, that is, exhibits expansion when the magnetic field is applied. This contraction can be used with a suitable structure for generating a membrane vibration.
  • vanadium permendur Fe 49 Co 49 V 2
  • Si0 2 silicon dioxide
  • the external magnetic field is provided by a microflake coil realized by electrodeposited copper.
  • the structure consists of several deflectable bending beam.
  • the arrangement for distances of the bars less than or equal to 3 pm can be regarded as acoustically closed.
  • electrostatically operated membrane loudspeakers have relatively low deflections with regard to integration if moderate drive voltages are assumed.
  • the electrostatic membrane speaker of Kim et al. serve according to [3].
  • Each of the two membranes has an area of 2 x 2 mm 2 .
  • the upper and lower electrodes are attached.
  • the deflection due to the so-called pull-in effect is limited to typically 1/3 to 1/2 of the electrode spacing. If the higher value of 1/2 is assumed, the result is for the deflection 7.5 pm / 2, once in one direction and once in the other direction.
  • the displaced volume can be estimated by assuming that it corresponds to the volume of a deflected rigid plate with a deflection of half the maximum deflection of the membrane. For example:
  • a general problem in the manufacture of miniaturized membrane loudspeakers is to achieve a flat progression of the sound pressure as a function of the frequency.
  • the achievable sound pressure is proportional to the radiation impedance and the velocity of the membrane.
  • the diameter of the membrane is comparable to the acoustic wavelength.
  • the radiation impedance is proportional to the frequency, cf. [6].
  • High-quality loudspeakers are often designed in such a way that the resonance f 0 is below the audible sound range (for reusable loudspeakers the respective resonant frequency lies below the lower edge frequency of the corresponding electric filter). For f »f 0 the velocity of the membrane is proportional to / f.
  • At least two chips are connected in a special housing to form a system.
  • chip-on-chip bonds are also used.
  • silicon-based wiring substrates are also used (so-called “interposer technologies").
  • Stage 3 Wafer level hybrid integration and monolithic integration
  • Sensors, actuators, and electronic circuits are interconnected at the wafer level.
  • the individual chips of the bonded wafer stack are removed from the composite by means of appropriate singulation processes.
  • actuators and electronic circuits are realized on a wafer.
  • the electrical connection of the elements by integrated interconnects or chip vias ("Through-Silicon Vias", short: TSV) realized.
  • stage I An example of a far advanced hybrid integrated sensor-actuator system (stage I) are the so-called Hearables.
  • the following components are already housed in the form of an in-ear headphone today: Loudspeakers (manufactured by precision mechanics), rechargeable battery, memory chip, CPU, red and infrared sensors, temperature sensors, optical touch sensor, microphones, 3-axis accelerator Sensor, 3-axis magnetic field sensor and 3-axis position sensor.
  • Such a "system-in-a-package” approach is now used for Hearables by companies such as Bragi ("The Dash"), Samsung, Motorola and Sony.
  • An example of a far advanced system-in-package sensor system (Stage 2) are so-called 9-axis sensors. Here are z. B.
  • 3-axis acceleration sensor and 3-axis position sensor on a a 3-axis magnetic field sensor on a second silicon chip and an electronic circuit realized on a third chip and housed in a common housing
  • a provider of such a system is z.
  • the company InvenSense MPU-9150.
  • monolithically integrated sensor systems are single- or multi-axis gyroscopes or acceleration sensors, pressure sensors and magnetic field sensors in which the sensor element and electronic functions are implemented in a single chip.
  • the monolithic integration offers great advantages in terms of size. While in the case of Leiterp! Atten hybrid integration for each device a separate housing is required and the system-in-package a relatively large housing, especially when combining several individual chips, this eliminates the need for additional space in the monolithic integration. In addition, due to the elimination of the complex, hybrid construction techniques, the production costs drop significantly, especially at high quantities.
  • the object of the present invention is therefore to provide a MEMS converter and a method for producing the same, which can influence a volume flow of a fluid with a high efficiency and / or can be influenced by the volume flow with a high efficiency and with a allow small space requirements.
  • the core idea of the present invention is to have recognized that the above object can be achieved in that a volume flow of a fluid can be influenced particularly efficiently by means of an element which is deformable in a plane of movement (in-plane) or the volume flow can deflect such element particularly efficient.
  • This allows large areas of the deformable element, which can interact with the volume flow, with simultaneous small dimensions of a chip surface, so that overall an efficient MEMS converter device with a high efficiency is obtained.
  • integration of an electronic circuit for operating the MEMS into a layer of the layer stack makes otherwise unused semiconductor surfaces usable for the electronic circuit, which leads to a small installation space requirement of the device.
  • a MEMS converter for interacting with a volume flow of a fluid comprises a substrate having a layer stack with a plurality of layers.
  • the substrate has a cavity in the Schichtstapei.
  • the layers form a plurality of substrate planes.
  • the MEMS transducer comprises an electromechanical transducer connected to the substrate in the cavity and has an element deformable in at least one plane of movement of the plurality of substrate planes. A deformation of the deformable element in the plane of motion and the volume flow of the fluid are causally related.
  • the MEMS converter further comprises an electronic circuit which is arranged in a layer of the Schichtsta- pels. The electronic circuit is connected to the electromechanical transducer and configured to provide a conversion between deformation of the deformable member and an electrical signal.
  • a device comprises a described MEMS converter, which is formed as a MEMS speaker, wherein the device is designed as a mobile music playback device or as headphones.
  • a health assistance system comprises a sensor device for detecting a vital function of a body and for outputting a sensor signal based on the detected vital function.
  • the health assistance system comprises a processing device for processing the sensor signal and providing an output signal based on the processing, and comprises a headset comprising a described MEMS converter.
  • the MEMS converter is implemented as a loudspeaker and comprises a wireless communication interface for receiving the output signal and is designed to reproduce an acoustic signal based thereon.
  • a method of providing a MEMS transducer for interacting with a volume flow of a fluid comprises providing a substrate comprising a layer stack having a plurality of layers forming a plurality of substrate planes and having a cavity in the layer stack.
  • the method comprises generating an electromechanical transducer in the substrate so that it is connected to the substrate in the cavity and has a deformable in at least one plane of movement of the plurality of substrate planes element, wherein a deformation of the deformable element in the plane of motion and the Volume flow of the fluid causally related.
  • the method further includes placing an electronic circuit in a layer of the layer stack so that the electronic circuit is connected to the electro-mechanical transducer and configured to provide a conversion between deformation of the deformable element and an electrical signal.
  • FIG. 1 is a schematic perspective view of a MEMS converter according to an embodiment
  • Fig. 2a is a schematic perspective view of a MEMS converter, a
  • Variety electromechanical transducer comprises, according to an embodiment; 2b is a schematic plan view of the MEMS converter of Fig. 2a according to an embodiment.
  • FIG. 2c is a schematic perspective view of the MEMS transducer of FIG. 2a, in which the electromechanical transducers have a deformed state of a deformable element, according to one embodiment
  • FIG. 3 shows a schematic perspective view of a deformable element embodied as a bimorph, according to an exemplary embodiment
  • 4a is a schematic perspective view of a deformable member having three bimorph structures, according to an embodiment
  • FIG. 4b shows a schematic perspective view of the deformable element according to FIG.
  • 4c is a schematic plan view of an arrangement of two deformable elements, which are arranged adjacent to each other according to an embodiment
  • FIG. 5 shows a schematic plan view of a MEMS converter, in which the electromechanical converters have a changed configuration compared to the MEMS converter from FIG. 2 a, according to one exemplary embodiment
  • 6a is a schematic plan view of an electromechanical transducer, are arranged in the just-formed spring elements between plate elements and deformable elements, according to an embodiment
  • Fig. 6b is a schematic plan view of an electromechanical transducer in which
  • Spring elements of deflectable ends of the deformable elements are arranged at an angle of less than 90 °, according to one embodiment
  • Fig. 6c is a schematic plan view of an electromechanical transducer, in which the spring elements are arranged at an angle of more than 90 °, according to an embodiment; 6d shows a schematic plan view of an electromechanical converter, in which the substrate has a spring element adjacent to a deformable element, according to one exemplary embodiment; Fig. 6e is a schematic plan view of an electromechanical transducer in which
  • Plate elements have recesses, according to an embodiment
  • 7a is a schematic plan view of a deformable element which is connected to the plate element, according to an embodiment
  • Fig. 7b is a schematic plan view of a configuration in which the deformable
  • Fig. 7c is a schematic plan view of a configuration of the electromechanical
  • Fig. 7d is a schematic plan view of a configuration of the electromechanical
  • FIG. 8a shows a schematic perspective view of a MEMS converter, in which the deformable elements are connected alternately to the substrate or to an armature element, according to an exemplary embodiment
  • FIG. 8b shows a schematic plan view of the MEMS converter from FIG. 8a according to FIG.
  • FIG. 8 c is a schematic perspective view of the MEMS converter of FIG. 8 a in a deflected state according to an embodiment
  • FIG. 8 d shows a schematic plan view of the MEMS converter of FIG. 8 b in the deflected state according to an embodiment
  • FIG. 9 is a schematic perspective view of a stack comprising three MEMS transducers according to an embodiment
  • FIG. 10 shows a schematic perspective view of a detail of a MEMS converter in which deformable elements are arranged between sides of the substrate, according to an exemplary embodiment
  • 1 1 a is a schematic plan view of a section of a MEMS converter, in which the electromechanical transducer is arranged obliquely with respect to a lateral direction of the substrate, according to an embodiment
  • FIG. 12b shows the MEMS converter of FIG. 2a in a second state
  • FIG. 13 shows a schematic view of two deformable elements which are connected to one another along a lateral extension direction, according to an exemplary embodiment
  • FIG. 14 is a schematic view of a stack comprising two MEMS transducers connected to each other and having a common layer according to an embodiment
  • Fig. 15 is a schematic side sectional view of a deformable element, the two
  • FIG. 16 is a schematic plan view of a deformable member disposed adjacent to an electrode according to an embodiment
  • FIG. 17a shows a schematic perspective view of a MEMS converter according to a further exemplary embodiment from a first side
  • FIG. 17b is a schematic view of the MEMS converter of FIG. 17a from a second side
  • FIG. 16 is a schematic plan view of a deformable member disposed adjacent to an electrode according to an embodiment
  • FIG. 17a shows a schematic perspective view of a MEMS converter according to a further exemplary embodiment from a first side
  • FIG. 17b is a schematic view of the MEMS converter of FIG. 17a from a second side
  • 17c is a schematic perspective view of the MEMS Wandiers according to the
  • openings are configured so that grid bars are arranged
  • 18a is a schematic perspective view of a MEMS Wandiers according to an embodiment in which adjacent to an electronic circuit, a functional element is arranged;
  • FIG. 18b shows a schematic perspective view of a MEMS converter that is modified relative to the MEMS converter of FIG. 18a in such a way that, according to one exemplary embodiment, an opening is arranged in a cover layer;
  • 19a shows a schematic view of a layer for adapting pitch grids according to an exemplary embodiment
  • 19b is a schematic view of a use of an adaptation layer according to an embodiment
  • FIG. 20 is a schematic block diagram of a MEMS system according to an embodiment
  • Fig. 21 a shows a device according to an embodiment
  • FIG. 21b shows a schematic block diagram of a further system according to an exemplary embodiment, which can be designed as a universal translator and / or as a navigation assistance system;
  • FIG. 22 shows a schematic illustration of a health assistance system according to an exemplary embodiment
  • FIG. FIG. 23 is a schematic plan view of a MEMS converter according to an embodiment having a plurality of electromechanical transducers with cantilevered beam elements
  • FIG. and FIG. 24 shows a schematic plan view of a MEMS converter according to an exemplary embodiment, which has a multiplicity of electromechanical transducers with bilaterally clamped beam elements.
  • a MEMS transducer may include one or more electroactive components that cause a change in a mechanical component based on an applied electrical quantity (current, voltage, charge, or the like). This change may, for example, relate to a deformation, to a heating or to a tension of the mechanical component. Alternatively or additionally, a mechanical influence on the component, such as a deformation, a heating or a strain, can lead to an electrical signal or electrical information (voltage, current, charge or the like) that can be detected at electrical connections of the component.
  • Some materials or components have a reciprocity, which means that the effects are mutually interchangeable.
  • piezoelectric materials may have the inverse piezoelectric effect (deformation based on an applied electrical signal) and the piezoelectric effect (providing electrical charge based on deformation).
  • Some of the exemplary embodiments described below relate to fully integrated and highly miniaturized systems for human-computer or human-machine interface applications and interaction, including applications in the area of "personal assistant", in which the acoustic interface is the focus.
  • the embodiments relate to the integration of MEMS and CMOS.
  • Some of the embodiments described below relate to a deformable element of an electromechanical transducer being configured to interact with a volumetric flow of a fluid.
  • An interaction may include, for example, deformation of the deformable member caused by an electrical drive signal that results in movement, displacement, compression or decompression of the fluid.
  • the volume flow of the fluid deform the deformable element, so that based on the interaction between the volume flow and the deformable element, a presence, a characteristic (pressure, flow velocity or the like) or other information relating to the fluid (such as Temperature) can be obtained.
  • a deformation of the deformable element along the lateral direction of movement and the volume flow of the fluid are causally related.
  • MEMS can be made in silicon technology.
  • the electromechanical transducer may comprise the deformable element and other elements, such as electrodes and / or electrical connections.
  • the deformable element may be configured to deform (macroscopically) along a lateral direction of movement, ie, an element or region may be movable along the lateral direction of movement.
  • the element or area may, for example, be a bar end or a central area of a bar structure.
  • deformation of the deformable member perpendicular to the lateral direction of movement may occur.
  • the embodiments described below relate to the macroscopic approach.
  • Embodiments may provide miniaturized speakers made in silicon, microphones and / or pumps which, based on their respective size, can produce the highest possible sound level, the highest possible sensitivity and / or the highest possible flow rate of the fluid.
  • Other embodiments may provide a MEMS converter, a MEMS valve, and / or a MEMS dosing system.
  • Embodiments of the present invention may be used to generate airborne sound, especially in the field of audiophile sound.
  • Exemplary embodiments thus relate to loudspeakers, in particular miniaturized loudspeakers, for example for hearing aids, headphones including in-ear headphones (in-the-ear headphones), headsets, mobile phones or like.
  • the mutual causal relationship between the volumetric flow and the deformation of the deformable element also makes it possible to use it in loudspeakers.
  • Embodiments thus relate to electroacoustic transducers.
  • Embodiments make it possible to provide a highly miniaturized, multifunctional system which can be used in human-computer or human-machine interaction and can be produced cost-effectively in volume production.
  • the core functionality which is to be supplemented by additional functions, lies in the area of sound generation or sound recording.
  • the MEMS transducer 10 is configured to interact with a volumetric flow 12 of a fluid.
  • the fluid may be a gas (such as air) and / or a liquid.
  • the fluid may be a medical solution, a drug, a chemical for a technical process, or the like.
  • the MEMS converter 10 has a substrate 14.
  • the substrate 14 may comprise any material.
  • the substrate 14 may comprise a wood material, a metal material and / or a semiconductor material, for example a silicon material.
  • the substrate 14 comprises a cavity 16.
  • the cavity 16 can be understood, for example, as a recess or as an at least partially enclosed volume of the substrate 14.
  • the fluid of the volume flow 12 can be arranged at least in some areas.
  • the substrate 14 comprises at least one layer of material, such as a one-piece layer having the cavity 16, as may be obtained, for example, by milling or etching of a material, and / or when the cavity 16 is omitted in a generation of the substrate 14, so that the substrate 14 is generated around the cavity 16.
  • the substrate 14 may also have a plurality of layers 15a and 15b, which may be advantageous, for example, in semiconductor manufacturing. Different structures, such as the presence and absence of the cavity 16, may be implemented in different layers of the substrate 14. Alternatively, the substrate may also have a higher number of layers, as explained below.
  • the MEMS converter 10 comprises an electromechanical transducer 18.
  • the electromechanical transducer 18 is connected to the substrate 14.
  • the electromechanical transducer 18 comprises a deformable element 22, which along a lateral movement tion direction 24 is deformable.
  • applying an electrical signal to the electromechanical transducer 18 may result in the deformation of the deformable member 22 along the lateral direction of movement 24.
  • the volume flow 12 when it encounters the deformable element 22, may cause the deformable element 22 to perform the deformation so that an electrical signal from the electromechanical transducer 18 based on the volume flow 12 can be obtained , That is, the deformation of the deformable element 22 and the volume flow 12 are causally related.
  • the electromechanical converter 18 may comprise or consist of at least one, approximately two, piezoelectric layer. Both layers can be deformed by electrical voltage.
  • the electromechanical transducer may comprise further elements, for example electrodes.
  • the MEMS converter 10 comprises an electronic circuit, not shown, which is arranged in at least one of the layers 15a or 15b of the layer stack.
  • the electronic circuit, not shown is connected to the electromechanical transducer 18, and is configured to provide a conversion between deformation of the deformable member 22 and an electrical signal.
  • An arrangement of the electronic circuit in a cover layer of the substrate 14, such as the layer 15a may allow to use a large area of the cover layer for the electronic surface, which allows a corresponding saving of chip area and / or space in other components, such as circuit boards, on which the MEMS converter 10 is mounted.
  • An arrangement of at least parts of the electronic sounding in a cover surface of the layer stack may further allow the advantage that a simple contacting of the MEMS transducer with other electronic components is made possible.
  • the term conversion is to be understood here as the conversion of an input variable into an output variable.
  • the electronic circuit may be configured to convert an electrical drive signal to a deflection of one or more deformable elements, ie, to perform an actuator drive, and / or to convert a deformation of one or more deformable elements into an electrical output, ie, one sensory evaluation or activation.
  • the electronic circuit may include at least one of a digital-to-analog converter for converting a digital version of the drive signal. nals in an analog version of the drive signal and / or an analog-to-digital converter for converting an analog version of the electrical output signal into a digital version of the electronic output signal.
  • the electronic circuit 17 can receive the drive signal In in an analog or digital form and convert it into an analog or digital signal Out suitable for the MEMS converter 10.
  • the electronic circuit may be configured to convert the electrical drive signal In into a deflection of the deformable element of at least one electromechanical transducer.
  • the electronic circuit may comprise a switching amplifier (so-called class-D amplifier). This can be designed to provide the signal Out as a digital pulse width modulated drive signal for the deformable element.
  • cover surface is related to the described layer stack, which describes, for example, outer layers of the stack.
  • this should not be understood to mean that no further layers can be arranged, because it is possible to provide additional layers on the described stack, which cover the outer layers partially or completely.
  • insulating layers for example a semiconductor oxide or lacquers, but also other electrically functional layers.
  • the substrate 14 may include one or more openings 26a-d through which the volume flow 12 may pass from an environment of the MEMS transducer 10 into the cavity 16 and / or out of the cavity 16 into an environment of the MEMS transducer 10.
  • a movement that the deformable element 22 performs during the deformation can be understood in terms of the substrate 14 as in the plane.
  • the volumetric flow 12 can emerge from the cavity 16 at least partially perpendicular to the direction of movement 24 or can enter it, as illustrated, for example, for the volumetric flow 12 through the opening 26c or 26d.
  • movement of the deformable element 22 in-plane may result in a volumetric flow 12 out-of-plane and vice versa. This means that the lateral direction of movement and / or the curvature of the deformable element can be in-plane with respect to the substrate.
  • the openings 26 c and 26 d are arranged perpendicular to the lateral movement direction 24 in the substrate 14.
  • the deformation of the deformable element 22 along the lateral direction of movement 24 may result in a movement of at least one region of the deformable element 22 towards the opening 26 a, so that a partial cavity 28 ba- is reduced to the deformation on the deformation.
  • a pressure of the fluid located in the subcavity 28 may be increased based thereon. Put simply, the fluid can be compressed. This can allow an outflow of the fluid from the Operakavtician 28 and the cavity 16.
  • the openings 26 d and 26 c the volume flow 12 can be obtained perpendicular to the lateral direction of movement 24.
  • a base area of the MEMS converter 10 may, for example, be arranged in an x / y plane.
  • a large dimension of the MEMS transducer 10 along a z-direction that is perpendicular to the x-direction and / or the y-direction in space or a large dimension of the deformable element 22 along the z-direction may increase of the volumetric flow 12, while the base area of the MEMS converter 10 remains unchanged.
  • An enlargement of the partial cavity 28 can lead to a negative pressure of the fluid in the partial cavity 28, so that the volume flow flows into the cavity 28 or 16 based on the deformation of the deformable element 22 perpendicular to the lateral movement direction 24.
  • the deformable element may have an axial extent, for example along the y-direction, which has a value in a range of at least 1 pm and at most 100 mm, preferably at least 100 pm and at most 10 mm, and more preferably in a range of at least 500 pm and at most 5 mm.
  • the deformable element 22 may have an extent along the lateral movement direction 24, which has a value in a range of at least 0, 1 pm and at most 1000 pm, preferably of at least 1 pm and at most 100 pm, and particularly preferably in a range of at least 5 pm and at most 30 pm.
  • the deformable element may have an extension along a lateral direction, which is arranged perpendicular to the lateral movement direction, for example along the z-direction, which has a value in a range of at least 0.1 .mu.m and at most 1000 .mu.m, preferably at least 1 pm and at most 300 pm, and more preferably in a range of at least 10 pm and at most 100 pm.
  • Fig. 2a shows a schematic perspective view of a MEMS converter 20 comprising a plurality of electromechanical transducers 18a-f.
  • the electromechanical transducers 18a-f are connected to the substrate 14 and can each have a deformable element along the lateral movement direction 24, as described in connection with FIG.
  • the substrate 14 includes, for example, a first layer 32a, a first spacer layer 34a, an intermediate layer 36, a second spacer layer 34b, and a second layer 32b arranged on top of each other in that order.
  • one or more further layers may be arranged between two of the layers arranged as successively.
  • at least one of the layers 32a, 32b, 34a, 34b and / or 36 has a multilayer structure.
  • An electronic circuit 17, such as the electronic circuit described in connection with FIG. 1 may be partially or completely disposed in the layer 32b. Alternatively or additionally, the electronic circuit 17 may be arranged at least partially in one or more of the layers 32a, 34a, 36 and / or 34b.
  • the electronic circuit may be configured to convert an electrical drive signal In to a deflection of the deformable element by providing the electromechanical transducer with a signal Out based on the signal In.
  • a signal ln 2 can be obtained, which can be converted by the electronic circuit into an electrical output signal Out 2 .
  • the conversion can in this case take place such that the electronic circuit 17 has at least one of a digital analog converter (ADC) and a digital / analog converter (DAC) or else an AC / AC converter or DC / DC converter.
  • ADC digital analog converter
  • DAC digital / analog converter
  • the electronic circuit 17 may be configured to receive an input signal ln 1 in an analog version and to convert them into a digital version to obtain the signal Outi.
  • both signals can be lni and Out, digital or analog.
  • the electronic circuit 17 may provide a conversion of the ln 2 signal obtained from the electromechanical transducer, such as in an analog form, into the Out 2 signal.
  • the signal Out 2 can be analog or digital.
  • the electronic circuit 17 can thus be formed for converting a digital version of the drive signal in-i into an analog version of the drive signal Out, and / or an analog-to-digital converter for converting an analog version of the electrical output signal In, to a digital version of the electronic output signal (Out).
  • the electromechanical transducers 18a-f are formed and / or can be controlled by the electronic circuit 17, so that these are based on the volume flow 12 and / or based on a control partly towards each other and partially move away from each other.
  • the electromechanical transducers 18a and 18b are configured to move away from each other while the electromechanical transducers 18b and 18c move toward each other.
  • Partial cavities 38a-c are disposed between electromechanical transducers 18a and 18b, 18c and 18d and 18e and 18f, and subcavities 38a-c may increase based on the deformation of electromechanical transducers 18a-f.
  • partial cavities 42a and 42b are arranged which can be reduced in size at the same time based on the movement or deformation.
  • the deformation or movement of the electromechanical transducers or the deformable elements can be reversible, so that the volumes of the sub-cavities 38a, 38b and 38c decrease while volumes of the sub-cavities 42a and 42b increase.
  • the electronic circuit 17 may be arranged along a direction perpendicular to the plane of movement in which the electromechanical transducers move. If a location of the electronic circuit is projected into the plane of movement, then this may correspond to a location at which the deformable element is at least temporarily located during the deformation. This means that the deformable element can be located, for example, above or below the electronic circuit 17.
  • a structured layer on the lower lid (first layer 32a), which partially or completely closes the chip on one side (for example but without limitation a lower side), a structured layer, the spacer layer 34a, may be arranged, for example as a spacer between the lower lid and the intermediate layer 36 arranged on the structured layer 34a can be used.
  • a structured spacer layer 34b On the structured layer 36, in turn, a structured spacer layer 34b may be arranged, which in its function as a spacer completely or partially corresponds to the spacer layer 34a and may have an identical or similar shape. Or its cavity can be partially or completely closed by the upper lid, the second layer 32b along the z-direction.
  • 2 a shows the layer 32 b as a partially cut-away view in order to make elements arranged in the area of the cavity representable.
  • the intermediate layer 36 may be arranged in pairs electromechanical transducers 18b and 18c and 18d and 18e, wherein such an arrangement can repeat several times along a spatial direction, for example along the x-direction.
  • the electronic circuit 17 may be wholly or partly arranged in at least one of the covers 32a and / or 32b. It is also possible that the electronic circuit 17 also extends over several layers and, for example, is arranged partially in the layer 32a and the adjacent layer 34a or in the layer 32b and the adjacent layer 34b.
  • An arrangement of the electronic circuit wholly or partly in at least one of the lid 32a and / or 32b allows a space-saving and thus space-efficient arrangement of the electronic circuit. This is particularly advantageous in combination with a lateral, d. h., in-plane movable element possible. In contrast to perpendicular to this and out-of-plane moving elements, as is the case, for example, with loudspeaker membranes, it is possible to dispense with thinning out of the corresponding layer (for example for membrane formation) and / or covering the movable element with the membrane Lid can be arranged without affecting the functionality.
  • the thinned membrane layer which at least partially forms the movable element would either be poorly suited for electronic circuit placement and / or an additional covering layer would degrade the performance of the device.
  • the lid of the stack which may also be covered by further layers, not a part of the movable element.
  • the substrate may have a plurality of openings 26 which are connected to a plurality of partial cavities 38a-c and 42a-b, wherein, for example, in each case an opening 26 may be connected to a partial cavity 38a-c or 42a-b.
  • a volume of each subcavity 38a-c or 42a-b may be influenced by a deflection state of at least one deformable element 22 along the lateral movement direction 24. Adjacent sub-volumes may be complementarily complemented or reduced in size during a first or second time interval. In simple terms, a partial volume of a partial cavity 38a-c or 42a-b can be reduced, while an adjacent partial volume of a partial cavity 42a-b or 38a-c is increased.
  • bar structures 44 may be arranged.
  • the bar structures 44 may be arranged so as to allow passage of the volumetric flow 12 in one or two directions, while reducing or preventing particles from entering or leaving the cavity or from the cavity. that is.
  • one form of the layers 32a, 32b, 34a, 34b, and / or 36 may be affected during a manufacturing process by selectively removing and / or selectively disposing or growing layers.
  • the bar structures 44 may be formed from the layers 34a, 36 and / or 34b based on a selective etching process. Further, during the manufacturing process, a shape of the cavities 38a-c and 42a-b may be influenced.
  • walls of one or more layers 32a, 32b, 34a, 34b, and / or 36 may be adapted to movement of the deformable elements of the electromechanical transducers 18a-f, for example, an at least approximately constant and / or small distance between the deformable elements and the To enable substrate 14.
  • a cover 43 Adjacent or on the bar structures or rod elements, a cover 43 may be arranged.
  • the cover 43 may be disposed adjacent to the cavity 16 and / or separated therefrom by the rod members 44.
  • the cover may comprise, for example, a flow material (mesh material), a foam material and / or a paper material.
  • the cover may allow particles to enter the cavity 16 or exit the cavity 16 with a smaller diameter than a spacing between bar structures.
  • the cover 43 may also be disposed adjacent or at an opening 26 which does not have the stop elements 44.
  • FIG. 2b shows a schematic plan view of the MEMS converter 20 from FIG. 2a.
  • the electromechanical transducers 18a-f may, for example, be frictionally or positively connected to the substrate 14 on elements 46a-c.
  • one or more deformable elements of the electromechanical transducers 18a-f may be formed integrally with the elements 46a-c.
  • the elements 46a-c may be disposed in a plane of the layer 36 or may be portions of the layer 36.
  • an extent of the deformable elements 22 of the electromechanical transducers 18a-f may be less than or equal to an extension of the layers 34a, 36, and 34b along the z-direction. That is, the deformable elements 22 of the electromechanical transducers 18a-f may be arranged and movable without contact with the layer 32a and / or 32b. Alternatively, at least one deformable element can also be deformed by contact. For example. between the at least one deformable element and an adjacent th layer, such as the layer 32a and / or 32b a low-friction, ie, a low coefficient of friction, layer may be arranged.
  • the low-friction layer can enable a fluidic separation between partial cavities, as described, for example, for the wall structure 49.
  • a coefficient of friction may be 10%, 20%, or 50% less than a coefficient of friction of the layer 32a and / or 32b or the layer 34a and / or 34b.
  • a frictional force between the deformable element 22 and adjacent layers may be less than a force needed to deform the deformable element 22.
  • a force to be provided by an actuator may be lower, so that the actuator can be made less powerful.
  • a sensitivity of the deformable element 22 to the volume flow 12 can be increased.
  • the electromechanical transducers 18b and 18c form, for example, side walls of the subcavity 42a (chamber).
  • the movable members 22 of the electromechanical transducers 18a-f may be positively secured to the members 46a-c.
  • a distance to the substrate 14 or to elements 48a-d of the substrate 14 may be arranged.
  • the end 52 of the deformable element 52 can thus be arranged freely movable.
  • One or more deformable elements 22 may, due to dimensional relationships, such as an expansion along the x direction in relation to an extension along the y direction, be simplified in a ratio of beam width to beam height, particularly far along the lateral direction 24.
  • the electromechanical converters 18a-f are designed, for example, as actuators, these actuators can be deflected when a corresponding signal is applied, ie. H. be curved so that, for example, the end 52 of the deformable element 22 moves on a curved path. According to the course of this path, at least one of the elements 48a-d may be formed such that a distance between and the end 52 remains approximately constant and / or small even when the deformable element 22 is deflected.
  • the MEMS converter 20 may have at least one wall structure 49.
  • a movement of the actuators, electromechanical transducers 18a-e or deformable elements can result in a chamber 42a-b being fluid-mechanically coupled to the adjacent ones due to fluid flows caused by the movement to fill the chamber 38a-c Chambers can occur.
  • a fluid flow 57 between the partial cavities 42a and 38b occur.
  • one or more partition walls (wall structures 49) which may possibly be immovable, may be arranged to separate adjacent chamber pairs 38 and 42.
  • the wall structures can be easily realized, for example, in the respective places as an element formed continuously from the layers 34a, 36 and 34b.
  • the wall structure 49 may also increase the mechanical stability of the EMS transducer 20 and may facilitate bonding between the individual layers.
  • the at least one wall structure 49 may have openings or be designed to be completely continuous, which makes it possible to specifically modify attenuation arising from the inflow / outflow of the fluid from the chambers 38a-c and 42a-b, in particular for adjusting the width of the chambers Resonance curve or in general for adjusting the dynamic properties of the actuator chamber systems.
  • a volume of the cavity 16 and / or the plurality of partial cavities 38a-c and 42a-b may be influenced by the layers 32a and 32b and side regions 53a and 53b of the substrate 14 be determined.
  • the side portions 53a and 53b may be disposed between the layers 32a and 32b.
  • the deformable elements of the electromechanical transducers 18a-c may be designed to execute a movement parallel to the first layer 32a and / or 32b at least in a section 55 of the lateral movement direction 24. This means that the deformable element can deform or move between the layers 32a and 32b.
  • a resonant frequency of a cavity or partial cavity may be affected by a geometry of the volume, by a frequency of driving the electromechanical transducers and / or by a mechanical resonance frequency of the deformable element (s).
  • At least partially fluidly isolated (partial) cavities for example by means of a wall structure 49, an arrangement of a low-friction layer, or based on an arrangement in different MEMS converters can have different resonance frequencies and / or be driven with different frequencies, for example by means of a control device. Based on different drive frequencies and / or different resonance frequencies, a multi-way speaker can be obtained.
  • Resonant frequencies of cavities are used, for example, in the region of the cavity resonators or resonant cavities.
  • Figure 2c shows a schematic perspective view of the ME S transducer 20 in which the electromechanical transducers 18a-f have a deformed state of the deformable element.
  • the deformable elements are deflected up to a maximum deflection.
  • a volume of the subcavity 42a is reduced based on the deformation (warp) of the deformable elements (beams). If, for example, a thickness (dimension along the z-direction or thickness direction) of the layers 34a and 34b (spacers) is low, flow of the electromechanical transducers 18a-f or the deformable elements can be negligible when the electromechanical transducers 18a-f move be.
  • a volume of the fluid for example an air volume which may correspond to the volume difference of the partial cavities 42a in FIGS. 2a and 2c, can be delivered to an environment of the MEMS converter 20, for example in the form of the fluid. idstrom (volume flow) 12.
  • a dimension of the spacer layer 34a or 34b along the z-direction along which the first and second spacer layers 34a and 34b are disposed on the intermediate layer 36 may have a value in a range of at least 1 nm and at most 1 mm, preferably in a range of at least 20 nm and at most 100 pm or more preferably in a range of at least 50 nm and at most 1 pm.
  • an amount of the fluid stream 57 that drives the electromechanical transducer 18a-f from a first side to a second side e.g.
  • the flow stream 57 may be based, for example, based on at least partial removal of the spacer layers 34a and / or 34b in a region in which the electromechanical transducer 18a-f is moving. In simple terms, based on the distance between the electromechanical transducer and adjacent layers, fluid flow around movable elements may result (fluidic losses). These may be low compared to the fluid stream 12. examples For example, they may be less than the volume of volume divided by the value of 10, divided by the value of 15, or divided by the value of 20.
  • the electromechanical transducers can move in pairs towards and away from each other.
  • the electromechanical transducers 18a and 18b can move away from each other in pairs relative to the state in FIG. 2b and move in pairs in a subsequent time interval.
  • the electromechanical transducers 18b and 18c may move in pairs toward or away from each other.
  • Such a pairwise complementary movement of electromechanical transducers which is possible even when the transducers are not arranged adjacent to one another, can result in an at least partial but also complete compensation of inertial forces, so that a small amount of vibration or no vibrations is received in the MEMS converter or is transmitted from the MEMS converter to the environment.
  • the fluid flow 12 may, for example, pass through the opening 26a and / or 26b.
  • the openings 26a and 26b may be formed the same or adapted to a geometry of the adjacent Operakavtician 38a and 42a.
  • the opening 26a may, for example, along a axial direction (about the y-direction) have a variable Ouerterrorism, about a dimension along the x-direction.
  • the dimension of the opening 26b along the x-direction may decrease in a direction toward an interior of the MEMS transducer 20, ie towards the cavity or sub-cavity 42a.
  • the opening 26 along a further direction, such as a z-direction (thickness direction) perpendicular to the axial direction y have a variable dimension or a variable Ouerterrorism.
  • the variable cross-section may decrease from an outside of the MEMS transducer 20 in a direction toward the cavity 16.
  • a tapered cross-section or diminutive dimension of the opening 26 from the exterior of the MEMS transducer 20 toward the cavity 16 along one or more directions x and / or z may be referred to as a funnel-shaped opening.
  • the optionally funnel-shaped opening 26b can be used as a device for impedance matching. An impedance matching may be advantageous, for example, when using the MEMS converter 20 as a loudspeaker.
  • An embodiment or geometry of the opening 26b may be carried out analogously to macroscopic speakers with dimensions of several centimeters.
  • a shape of the opening 26b may allow the actual sound radiation to be defined by the outer surface of the funnel.
  • the opening 26b may, for example, be formed continuously in the structured layers 34a, 36 and 34b.
  • a bar grating 54 which comprises at least one bar element 44, may have openings or gaps between bar elements 44 and / or between bar elements 44 and the adjacent substrate. The gaps may be formed so that the fluid can flow through them.
  • the bar grating 54 may provide protection against particle penetration into the cavity of the MEMS transducer 20.
  • a width of the openings of the bar grating 54, d. H. a distance between rod elements 44, can be designed so that the fluid flow 12 is fluidically influenced to a desired degree or is unaffected.
  • the distance between the rod elements 44 may be smaller than the smallest gap distances in the MEMS converter 20, so that the rod grid can filter a large number of or even all relevant particles.
  • a gap distance may describe a distance of a deformable element 18a-c to a layer 32a or 32b.
  • the distance between the rod elements 44 may for example be less than 5 pm, than 1 pm, as 0, 1 pm or 0.05 pm.
  • Rod elements 44 along the spatial directions can be implemented in such a way that the rod elements 44 do not produce any resonances in the area of the audible sound, i. H. in a frequency range of at least 16 Hz and at most 22 KHz.
  • the rod members 44 are illustrated as being disposed on an outer side of the MEMS transducer 20, such as in a region where the opening 26a or 26b has a maximum dimension along the x direction, one or more rod members may also be attached another location of the opening 26a or 26b, for example in a tapered region of the opening 26a or 26b.
  • the volume of a sectionkavtician 42 a can be reduced.
  • a volume of the chamber (subcavity) 38a may increase.
  • the subcavity 38a can, in the same or a similar manner as the subcavity 42a, be provided via a funnel-shaped opening 26b and / or a bar grate.
  • ter 54 comprising one or more rod elements 44 to be connected to the environment of the MEMS converter 20.
  • Electromechanical transducers 18a-f may be configured to be driven at a frequency different from each other or to have a resonance frequency different from each other.
  • a volume of each subcavity may vary at a different frequency or at least partially equal frequencies.
  • the opening 26a and the opening 26b may be disposed on or in opposite sides of the ME S converter 20 in space.
  • the fluid stream may be ejected 12 or sucked in by means of the partial cavities 42a or 38a or a plurality of such partial cavities.
  • This means that the fluid flow 12 can be generated in opposite directions.
  • the volume flow 12 can be expelled from the opening 26a in a negative y-direction and be sucked into the sub-cavity 38a.
  • these directions can be reversed.
  • a current short circuit along the MEMS converter 20 can thus be prevented or excluded.
  • the deformable elements (beams) of the electromechanical transducers 18a-f may be configured to warp in accordance with an externally applied signal.
  • a frequency with which the curvature takes place can be a frequency with which the volume flow 12 is generated and / or oscillates and thus influence or determine a sound frequency.
  • An amplitude of the oscillation determined via the supplied signal can influence or determine an amplitude of the volume flow 12 at one or more (resonance frequencies) and consequently have an effect on the sound level.
  • At least one chamber act as a sensory element and another chamber act as an actuator element.
  • the MEMS converter can comprise at least one sensory and at least one actuatoric deformable element. The movement of the bars is detected and evaluated.
  • the electromechanical transducers 18a and 18b can be actuated as actuators, while the electromechanical transducers 18c and / or 18d can be used as sensors for detection within the fluid.
  • electrostatic (capacitive) piezoelectric or piezoresistive sensor elements can be integrated.
  • Such an element can be used as a microphone or pressure sensor. the.
  • Such an integrated microphone or such a pressure sensor can also be used for controlling and controlling the characteristics of the loudspeaker chambers (actuators) or ultrasound transmitter chamber or pump chamber.
  • a corresponding electronics as control circuit / control circuit is used.
  • the MEMS transducer 20 has been described as having an undeflected state with undetachable deformable elements, the states may also be mutually interchangeable. That is, in a first, unactuated state, the deformable elements may be deformed or curved and may deform to a less curved, more curved, or even state based on a drive signal.
  • the volumetric flow 12 may also lead to deformation of the deformable elements, wherein the deformation is obtained by means of an electrical signal at the MEMS converter 20 can be, d.
  • the MEMS converter 20 is also configurable as a sensor.
  • One or more electromechanical transducers may comprise deformable elements according to the developments described below.
  • Fig. 3 shows a schematic perspective view of a deformable element 30, which is designed as a bimorph.
  • the deformable element 30 has a first layer 56 and a second layer 58, which are at least in places, advantageously over the entire surface, firmly connected to each other.
  • the first layer 56 and the second layer 58 are designed to deform differently, for example expand or contract, based on a mechanical, physical or chemical influence.
  • the layers 56 and 58 may have mutually different thermal expansion coefficients.
  • the layer 56 or layer 58 may be configured to expand or contract based on an electrical signal applied to the corresponding layer.
  • this layer may comprise piezoelectric materials.
  • the actuation direction can be arranged parallel to the lateral movement direction 24.
  • the actuation direction can be a direction along which the deformable element 30 can be deflected by applying a positive electrical voltage.
  • the deformable member 30 may be formed to curl with its beam structure along an axial direction (such as the y-direction) of the beam structure. This can be done based on a back-and-forth movement, ie along the lateral movement direction 24 and along an opposite direction.
  • the bimorph can correspond to a bar consisting of two layers.
  • the layers are arranged, for example, in one direction (for example, vertically) to each other.
  • a passive layer eg, layer 56
  • an active layer eg, layer 58.
  • a direction of change in length of the layer 58 may be selected so that the bimorph bends laterally in one (contraction) or other (expansion) direction.
  • FIG. 4a shows a schematic perspective view of a deformable element 40, which has three bimorph structures 30a-c, as described in connection with FIG.
  • a schematic arrangement of the deformable element 40 in space along the x, y, and z directions is illustrated by way of example (but not limitation) as the deformable element 40 may be disposed in the EMS transducer 10 or 20, for example.
  • the deformable (sub) elements 30a-c may have different dimensions from one another, for example along the x, -y or z-direction.
  • the deformable elements 30a and 30c may have an equal extent along the y-direction.
  • the actuation directions 59a-c of the deformable elements 30a-c may, for example, be arranged alternating or having a mutual orientation, for example in the positive / negative / positive x direction. Simplified be understood that the deformable elements 30a and 30c have an equal length.
  • the deformable member 30b may have a different length. For example, a length of the deformable element 30b may be twice as long as the comparable length of the element 30a or 30c. Between the deformable elements 30a-c further elements may also be arranged according to further exemplary embodiments, for example spring elements.
  • a direction along which the deformable elements 30a-c deflect upon application of an equal or comparable magnitude may be alternating along the length of the deformable element 40. This allows an alternating curvature course.
  • the deformable member 40 is illustrated as comprising three deformable members 30a-c, two deformable members or more than three deformable members 30 may be disposed.
  • 4b shows a schematic perspective view of the deformable element 40 in a deflected state.
  • the layers 58a-c are, for example, contracted so that a multiple curvature results along an axial course (y-direction).
  • three bars shown in Fig. 3 may be arranged juxtaposed in the direction of their extension. This can be done so that a first beam and a third beam (30a and 30c) with a corresponding signal has a curvature in a first direction and the second Baiken (30b) has a curvature in the other direction.
  • an actuator can be obtained which, starting from its elongated shape, as shown in Fig. 4a, without applied signal S-like deformed with a corresponding signal, as shown in Fig. 4b.
  • the configuration with Signa! and without signal is mutually interchangeable.
  • the deformable elements 30 may include a lead or bias that results in a reduced curvature or straight extension of the deformable member 30 and / or 40 based on the applied signal.
  • the bends of the individual beams 30a-c are identical except for the sign, and a length of the first and third beams 30a and 30c corresponds to approximately one quarter of an overall length of the deformable element and wherein a length of the middle beam 30b in about one half of the length of the deformable element 40 corresponds.
  • 4c shows a schematic plan view of an arrangement of two deformable elements 40a and 40b clamped on both sides, which are arranged adjacent to one another, so that the partial cavity 38 is arranged between the deformable elements.
  • the solid lines show, for example, an actuated state of the deformable elements 40a and 40b while the dashed lines show an unactuated state, this description of the deformable elements being mutually interchangeable, since the unaktuABLE state can take any form through the production.
  • the deformable elements 40a and 40b may be formed to have a curvature in the unactuated state. Further, the deformable members 40a and 40b may be formed of three segments 30a-1 to 30c-1 and 30a-2 to 30c-2, respectively, which perform mutual curvature during the actuation. Each segment, such as the middle segment 30b-a or 30b-2 may also be formed of two or more segments. Compared with the representations of FIGS. 4a and 4b, the segments 30a-1, 30b-1 and 30c-1 may have a different length to each other and to each other segment. The length may be adaptable to a desired shape to be obtained upon actuation.
  • the S-shaped actuators have the great advantage that not only a large planar filling factor can be achieved with them, but they can also be clamped on two sides. Due to the double-sided clamping, a technically unavoidable deflection of the beams due to stress gradients is significantly reduced. Thus, the distances to the lower and upper lid of the substrate can be kept very low, which reduces the flow / pressure losses disproportionately and thus not only significantly increases the efficiency of speakers, ultrasonic transducers, microphones and pumps, but their proper functioning only possible. According to further embodiments, only one of the deformable elements 40 may also be arranged, for example in the MEMS converter 10.
  • the electromechanical transducers 18a-c each include first and second deformable members 22a and 22b, 22c and 22d and 22e and 22f, respectively.
  • the deformable elements are arranged opposite one another. Deflectable ends of the beam elements are arranged facing each other. Areas where the deformable elements 22a-f are connected to the substrate are arranged facing away from each other.
  • the electromechanical transducers 18a-c each include a plate member 62a-c connected to the respective deformable members 22a and 22b, 22c and 22d and 22e and 22f, respectively.
  • the respective plate member 62a-c may be connected to the deflectable ends of the respective deformable members 22a-f.
  • the deformable elements 22a-f may be wholly or partially designed as a deformable element 30 or 40 or have a different configuration. Different hatching of the deformable elements 22a and 22b, 22c and 22d and 22e and 22f indicate that the deformation of the respective deformable element is different from each other.
  • the deformable elements of an electromechanical transducer 18a-c may be arranged to perform a deflection of the deflectable ends along a same spatial direction, independently of a respective embodiment of the deformable element 22a-f.
  • a drive may cause the deflectable ends of the deformable elements 22a and 22b to be made along a positive x-direction.
  • an activation of the deformable elements 22c and 22d can cause a deflection of the respective deflectable ends along a negative x-direction.
  • This allows the plate members 62a and 62b to move toward each other during this drive so that the subcavity 42a is reduced based on the movement of the plate members.
  • a negative pressure in the cavity 42a may cause the plate members 62a and 62b to move toward each other, so that deformation of the deformable members 22a-d is obtained.
  • one or more deformable elements 22a-d are made electrically passive.
  • an electrical potential may be applied to one or more plate members 62a-c so that an attractive or repulsive force can be obtained between the plate members 62a and 62b based on an electric potential of the plate members 62a and 62b, which movement the plate elements 62a and 62b and thus causes deformation of the deformable elements 22a-d.
  • the deformable elements 22c-f and / or the plate elements 62b and 62c can be actuated simultaneously or with a time delay in order to obtain a deformation of the deformable elements 22c-f and a change in the volume of the partial cavity 38a.
  • Fig. 5 shows a variant of the configuration shown in Figs. 2a-c, in which four bending beams 22a-d and 22c-f are used for the narrowing or widening of each chamber (cavities 42a and 38a). In connection with FIGS. 2a-c, this is described based on in each case two bending beams (deformable elements).
  • Fig. 5 shows a non-actuated state. The actuated and non-actuated states are mutually exchangeable.
  • any controllable deformable element can be deformed when the signal is not present and its signal-dependent change its deformation, including the achievement of a stretched (undeflected) state is a special case.
  • a bending beam such as the deformable elements 22a and 22b and 22c and 22d, respectively, may be connected to each other via a bendable web comprising the elements 64a and 64b.
  • a relatively stiff extension such as the element 66
  • the plate member 62b may be arranged, which is designed to be stiff or stiff as possible.
  • the plate members 62a-c may move toward or away from each other in parallel to reduce or increase volumes of sub-cavities.
  • the parallel movement of the plate members may allow the volume of the subcavity 42a to be, in the limit, zero, that is, the plate members 62a and 62b are in contact.
  • such an arrangement can provide a volume flow of the fluid which is significantly higher than the volume flow of the MEMS converter 20.
  • the supply of the fluid, as described in connection with the MEMS converter 20 can take place through an opening 26a, 26b or 26c.
  • the elements 64a and 64b may also be referred to as spring elements.
  • the deformable elements (bending beams) 22a and 22b may be designed to warp to the right (positive x direction) when the signal is applied.
  • Deformable elements 22c and 22d may be designed to skew to the left when the signal is applied (negative x-direction).
  • Both types of bars hatch of the deformable elements
  • Both types of bars may be designed so that they bend, for example, in a first signal as in connection with Figs. 3 or 4 and warp in the opposite direction at a second signal. In this case can both the constriction and the expansion of the chamber (partial cavity) to the original size regardless of the mechanical restoring force due to the bending of the beams can be achieved.
  • the first and second signals may be, for example, a positive and a negative electrical voltage.
  • the layers 56 and 58 can also be active layers or a further active layer can be arranged on the layer 56 on a side facing away from the layer 58, the two active layers being addressed separately from one another can to get a deflection in one direction or the other.
  • a volume between two opposing deformable members, such as the deformable members 22c and 22d and the plate member 62b joined thereto, may also change upon movement or deformation of the flexures.
  • the plate member 62 may be rigid.
  • the deformable members 22c and / or 22d and / or connecting members 64 and 66 connecting the plate member 62b to the deformable members 22c and 22d may be locally thinned or thinned to provide a local flow channel. This can be done, for example, by additional structuring or etching.
  • the connecting elements 64a, 64b and 66 may be arranged in a T-arrangement.
  • the connecting element 66 may have a high rigidity compared to the elements 64a and 64b.
  • the members 64a and 64b may preferably deform to facilitate rectilinear movement of the respective panel member.
  • FIGS. 6a-e in which the plate element 62a or 62b is connected to respective opposing deformable elements 22a and 22b or 22c and 22d.
  • FIG. 6a shows a schematic plan view of a configuration in which spring elements 68 that have just been formed are arranged between the plate element 62a or 62b and the deformable elements 22a and 22b or 22c and 22d.
  • the spring elements 68 may be formed from a material of the deformable elements 22a-d or a material of the plate elements 62a or 62b and / or be formed integrally with one or more of these elements.
  • the spring members 68 may be at right angles to the plate members 62a or 62b.
  • Fig. 6b shows an alternative configuration in which spring elements 68 'of deflectable ends of the deformable elements are arranged at an angle ⁇ of less than 90', for example 30 or 40 °. This allows for a greater spacing of the contact points on the plate member 62a as compared to the configuration of Figure 6a, which may result in reduced deflection of the plate member 62a during movement.
  • Fig. 6c shows a configuration in which the spring elements 62a are arranged at an angle ⁇ of more than 90 ' . This can, for example, lead to reduced restoring forces of the spring elements 68, if the configuration, as shown in FIG. 6a, is used comparatively.
  • FIG. 6 d shows a configuration in which the configuration from FIG. 6 a is modified such that in regions of the substrate 14 adjacent to which the electromechanical transducer 18 a is arranged or the respective deformable element is connected to the substrate 14, a spring element 72a or 72b is arranged.
  • the spring element 72a and / or 72b may be at least partially determined, for example, by a recess (cavity) 74a or 74b in the substrate 14. This means that, for example, through the recesses 74a or 74b, a rigidity of the substrate 14 can be locally reduced, so that the spring elements 72a and 72b are formed.
  • recesses 74a and 74b are shown extending beyond adjacent deformable elements 22a and 22c, 22b and 22d in substrate 14, protrusion 74a or 74b may also be adjacent to, or adjacent to, a deformable element be arranged a plurality of deformable elements.
  • the substrate 14 may also have a plurality of recesses or spring elements. In other words, Fig.
  • FIG. 6d shows a configuration in which a further structure in the form of a spiral spring (spring elements 72a and 72b) to which the deformable elements (beams) are attached, can lead to a further reduction of the tensile stress.
  • flexural spring elements may for example also be integrated in the rigid plate, as shown in the configuration of FIG. 6e and described in connection with the recesses 76a-d. These elements can deform S-shaped in the case of deflection of the beams and reduce the tensile load on the rigid plate.
  • FIG. 6e shows a configuration of electromechanical transducers 18a and 18b in which the plate members 62a and 62b have recesses 76a-d adjacent a region where the.
  • FIG. 6d is compared with the configuration described in connection with FIG Plate elements 62a and 62b are connected via the spring elements 68 with the deformable elements.
  • a distance between the recesses 76a-d and a deformable elements facing side of the plate members 62a and 62b, respectively, can influence a rigidity of the plate member 62a or 62b in this area.
  • the recesses 76a-d allow for reduced restoring forces acting on the deformable elements 22a-d.
  • FIGS. 6a-e show variants for an embodiment of the movable elements or the electromechanical converters. These differ from a design, as described in connection with FIG. 5, for example, or in particular in that the elements 64a or 64b shown in FIG. 5 have been fused with the stiffening 66 toward the spring elements 68.
  • the configuration according to FIG. 6a can have a higher rigidity against parasitic tilting of the plate elements 62a or 62b about an axis perpendicular to the plane of the drawing (x / y plane).
  • the member 64a and 64b may be under tension at deflection of the beams, which increases with increasing displacement into increasing mechanical strength Resistance can result for the beam deflection of the deformable elements.
  • the mechanical connection of the two deformable elements can be made significantly softer (less rigid), since the respectively connecting spring elements 68 can react with a bending, which with a corresponding design of these elements has a significantly lower mechanical resistance can represent.
  • the connecting elements / springs 68 and / or the elements / springs 64a-b described in connection with FIG. 5 may also have a curved or meandering shape. This allows for increased flexibility in a preferred direction.
  • FIGS. 6d and 6e allow a reduction in the tensile load which would lead to an effective stiffening of the deformable element.
  • the configurations described in FIGS. 6a-e neglect inlet and outlet openings 26. If these openings are arranged, recesses or spring elements in the substrate in regions in which the opening is arranged can be dispensed with. Alternatively or additionally, one, several or each of the spring elements 72a, 72b obtained by at least one recess and / or in the plate elements 62a or 62b may be realized based on two or more separate and independent spring elements.
  • FIGS. 7a-c described below describe examples of possible arrangements of deformable elements and plate elements.
  • FIG. 7 a shows the deformable element 40 which is connected to the plate element 62.
  • the plate element 62 may for example be arranged directly on the deformable element 40.
  • FIG. 7 b shows a configuration in which the deformable element 40 a is firmly clamped between the substrate 14 and is formed to deform along the lateral direction 24. Between the deformable element 40 and the plate element 62, two further deformable elements 40b and 40c are arranged, the ends of which can be connected to one another. Based on the connections, the deformable elements 40b and 40c may be aligned with each other such that a bulge of the respective deformable element 40b or 40c faces away from the other deformable element.
  • the deformable elements 40a-c can, for example, be actuated jointly or react together to the volumetric flow of the fluid, wherein, for example, joint control of the deformable elements 40a-c increases the travel, ie, enlarges the path around which the plate element 62 is deflected lead.
  • joint control of the deformable elements 40a-c increases the travel, ie, enlarges the path around which the plate element 62 is deflected lead.
  • at least one further deformable element can be arranged, which is designed to increase a travel of the deformable element in the case of a common control with the deformable element.
  • FIG. 7c shows a configuration of the electromechanical transducer 18 in which the deformable elements 40a-c in a central region recesses 70a or 70b, the fluidic coupling of a volume 82 between the deformable elements 40b and 40c with another Operakavmaschine, for example, the Generalkavtician 38a.
  • the deformable elements 40a, 40b and / or 40c may each be made in two parts to provide the recesses 78a and 78b.
  • the recesses 78a and 78b may be formed as recesses, which are enclosed along a thickness direction (z-direction) of further material of the deformable elements 40a, 40b and 40c.
  • FIG. 7a shows a S-shaped bending beam actuator configuration according to Fig. 4, in which a connection to the bending beam is arranged in the center of the rigid plate.
  • the bending actuators can be arranged several times in succession (serially).
  • FIGS. 7b and 7c show diagrammatically an arrangement of three serially connected S-actuators.
  • two S-actuators (deformable elements 40) or more than three actuators can be connected in series.
  • the hatchings of the deformable elements in FIGS. 7a-c are shown, for example, in accordance with the hatching as selected in FIG. Hatching that differs from one another can mean a different direction of curvature of the respective sections.
  • Fig. 7c shows a configuration having an opening in the center of the S-shaped actuators (recesses 78a and 78b) which allows for improved ventilation of the gap (cavity 82).
  • Fig. 7d shows a configuration of the electromechanical transducer in which a first deformable element 40a and a second deformable element 40b are arranged along the y-direction parallel to each other. This allows an increase in the force with which the plate member 62 is deflected. Ends of the deformable elements may be connected to each other or disposed together on the substrate. Alternatively, two or more deformable elements 40a and 40b may also be arranged parallel along another direction, for example along the z-direction (thickness direction). Alternatively or additionally, a series connection and a parallel connection of deformable elements can also be combined.
  • Movable elements can hit another moving element or element at high or high deflection. This can lead to sticking.
  • the movable elements or the fixed elements may preferably be equipped with spacer belts. bollards, which make it possible to significantly reduce the contact area and thus reduce or avoid sticking. Instead of so-called bollards, small structures designed as spring elements can also be arranged. In addition to avoiding sticking, the impulse can be reversed when two elements strike, which can reduce or avoid energy losses or improve the dynamic behavior of the actuators.
  • FIG. 8a shows a schematic perspective view of a MEMS converter 80, in which the deformable elements are connected alternately to the substrate or the intermediate layer 36 or to an anchor element 84 which is connected to the substrate.
  • the deformable element 22a in the regions 46 and 48 of the intermediate layer 36 is fixedly connected at ends to the substrate and configured to perform an S-shaped movement, as exemplified in connection with the deformable element 40.
  • the adjacently disposed deformable element 22b is connected to the anchor element 84.
  • the anchor member 84 is disposed in a center portion of the deformable member 22b, and may be connected to the spacer layer 34a or the layer 32a with the same. This means that the substrate can have an anchor element.
  • Side walls of the intermediate layer 36, which are disposed adjacent to movable ends of the deformable members 22a or 22b may be formed based on a movement shape of the deformable members 22a and 22b, respectively.
  • FIG. 8b shows a schematic plan view of the MEMS converter 80, wherein the spacer layer 34b and the layer 32b are not shown by way of example.
  • the MEMS 80 includes the rod members 44 in areas of the openings 26.
  • the areas 48 may include the spring members 72a-c.
  • the regions 48 are shown by way of example as a plan view of the intermediate layer 36.
  • the anchor member 84 may be integrally molded with the deformable member 22b and / or a layer of the substrate. However, as shown in FIG. 8, the anchor member 84 may extend beyond the deformable member 22b along the z-direction to interconnect the layers 32a and 32b. This allows a reduced susceptibility to vibration of the layers 32a and 32b.
  • the anchor element 84 may also be formed from another piece and / or from a different material, such as the mechanically deformable element 22b.
  • the neighboring For example, the formable element 22a is fixedly connected on both sides to the substrate in the regions 48 or 46, for example by positive or non-positive engagement.
  • a distance 85 between bar elements 44 may be less than 1 pm, than 0, 1 pm or 0.05 pm.
  • the anchor member 84 may be disposed in a center portion of the deformable member 22b.
  • the middle region may, for example, comprise a geometric center of gravity of the deformable element.
  • the middle region can be, for example, the bar segment 30b of the deformable element 40.
  • FIG. 8c shows a schematic perspective view of the MEMS converter 80 in a deflected state.
  • Outer portions of the deformable member 22b may have moved in a direction toward the deformable member 22a with locations of the outer ends of the deformable member 22a remaining substantially unchanged.
  • a center portion of the deformable member 22a may have moved in a direction of the deformable member 22b with a location of the center portion of the deformable member 22b based on the anchor member 84 substantially unchanged.
  • FIG. 8d shows a schematic plan view of the MEMS converter 80 in the deflected state, as described in FIG. 8c.
  • the volume of the cavity 42 is reduced compared to the view of FIG. 8b, whereas a volume of the cavity portion 38 is increased.
  • the spring element 72a may lead to a reduced introduction of force into the deformable element 22a, but may not be arranged.
  • a first Operakavtician 42 Between the beam structures of the first electromechanical transducer and the second electromechanical transducer or between the actuators 22a and 22b may be arranged a first Operakavmaschine 42, which is adjacent to an opening 26 of the substrate.
  • FIGS. 8a and 8b show a schematic 3D representation or a plan view of a variant in which a chip area of the MEMS converter can be exploited very efficiently.
  • exclusively or predominantly bending actuators can be used, ie the additional rigid plate element can be dispensed with.
  • the chamber 42 is bounded by two undeflected S-actuators 22a and 22b, as illustrated in FIG. 8a.
  • the left (negative x-direction) limiting S-actor 22a can with its two Ends in the drawing above or below (ie along the positive or negative y direction) to be connected to the rest of the device.
  • the right limiting S-actuator 22b may be attached to a post (anchorage) 84.
  • the two ends of this S-actuator can be freely movable.
  • the post 84 may be fixedly connected to the upper and lower decks 32a and 32b, respectively.
  • both actuators bend S-shaped.
  • the spring element 72a which is concealed in FIG. 8a and is influenced by a recess, can serve for strain relief.
  • the spring element is arranged in the drawing plane of FIG. 8 b along the lateral movement direction 24 in the element 48, so that the spring element 72 a is firmly clamped along the lateral movement direction 24.
  • the spring element 72a as shown for example in Fig.
  • the spacer layers 34a and 34b have a fixed connection thereto and also be clamped.
  • the layers 34a and 34b may also be patterned such that the spring element 72a has no contact with the spacer layer 34a and / or 34b and thus may have a higher compliance.
  • the bulbous bulges of the S-actuator 22a may be moved toward the post 84 so that the center of the S-actuator 22a almost contacts the center of the S-actuator 22b.
  • the free ends of the S-actuator 22b have moved in the direction of the fixed clamping of the S-actuator 22a, so that they also almost touch each other.
  • the aktuATOR form of the two S-actuators can be approximately the same or identical, so that the chamber 42 can close practically or almost completely with sufficient deflection of the actuators.
  • the original volume of the chamber 42 can thus be used completely for the generation of the volume flow or for its detection.
  • the chamber 38 can gain in volume, which can be prevented with appropriate dimensioning of the flow-influencing elements that too high a dynamic effects occurring pressure difference between the chambers 38 and 42, the movement affected the actuators.
  • the elements 46 and 48 may be configured such that the distance to the free ends of the actuators 22b remains small and / or approximately constant independent of the deflection of the ends.
  • bending spring elements 72a may be arranged.
  • Previously described embodiments may include further actuators which are arranged in emerging flow channels.
  • the other actuators can not serve, for example, the direct generation of sound, as is the case, for example, with the electromechanical see converter 18 can be used, but be used for variable adjustment of the flow characteristics.
  • the attenuation, and thus the width of the resonance curve can be adapted individually and flexibly for each chamber during operation of the component (MEMS converter).
  • the volume change per active area (AV / A) for a prior art membrane loudspeaker was estimated to be 3.75 pm. This may be re-estimated for a MEMS transducer as shown in FIGS. 8a-c, using dimensions useful for microtechnology technology, as discussed below, to obtain an estimate for an active area AV / A. For this, a value of 5 pm can be assumed for a width of the actuators (in the x-direction in FIG. 8a). The width of the post 84 may also have a value of 5 pm. For the distance of the actuators, which form the side walls of the chamber 38, (for example in the unexposed state in FIGS. 8a and 8b), 10 pm can be assumed.
  • h may represent the height of the chamber (eg, the z-direction in Fig. 8a). Simplified, only the actuator height can be assumed for this purpose. A thickness of the spacer layers 34a and 34b may be neglected. Compared with the above 3.75 pm for the membrane loudspeakers, it becomes clear that an actuator height of only 3.75 m / F p (ie 4.5 pm) is sufficient to provide the same volume flow per active area. With an actuator thickness h of about 50 ⁇ m, which can be produced in micromechanical technology without increased efforts, the value can already be more than a factor of 10 higher than that of the MEMS membrane loudspeaker.
  • parasitic oscillations can be much easier to control or reduce due to the significantly reduced number of mechanical elements and mechanical connections than in variants which control the plate elements and optionally further.
  • re deformable elements between the deformable element and the plate member have.
  • a serial series connection of actuators as shown for example in FIGS. 7b and 7c, can serve to achieve larger strokes or larger forces.
  • 9 shows a schematic perspective view of a stack 90.
  • the stack 90 comprises a MEMS converter 80a, which is connected to further MEMS converters 80b and 80c to the stack 90 and arranged in the stack 90.
  • the electromechanical transducers of the MEMS converter 80a and of another MEMS converter 80b and / or 80c may be controllable together. This means that, with the chip area remaining the same, a volumetric flow that can be generated or recorded is increased.
  • the stack 90 is described as comprising the MEMS transducers 80a, 80b, and 80c, alternatively or additionally, other MEMS transducers 10, 20, and / or 50 may be arranged. Although the stack 90 is described as including three MEMS transducers, the stack 90 may also include a different number of MEMS transducers, such as two, four, five, six, or more MEMS transducers.
  • the cavities or partial cavities of the MEMS transducers or adjacent MEMS transducers, which are arranged in the stack 90, can be connected to one another.
  • the cavities or partial cavities can be connected, for example, by openings in layers between individual MEMS transducers.
  • the electronic circuit 17 may be configured to drive one or more of the MEMS transducers, ie, to provide the conversion between deformation of the deformable element and an electrical signal.
  • the stack 90 can thus have at least one but also a plurality of electronic circuits 17.
  • chips or MEMS converters can be stacked, for example, by bonding methods, so that in this case, in contrast to the classical membrane loudspeakers, a further increase in the volume flow can result.
  • the stack height can be kept low.
  • Such a technology may include, for example, an etching process and / or a grinding process.
  • a reduction of a layer thickness of the layers 32a and / or 32b, which are arranged adjacent to one another, can be guided so far that one or even both of these layers are removed.
  • a production process may be carried out such that certain lower or upper covers (layers 32a or 32b) are omitted.
  • the Stack 90 may be formed so that the ME S converter 80b and / or 80c are each carried out without layer 32b.
  • FIG. 10 shows a schematic perspective view of a detail of a MEMS converter 100 in which deformable elements 22a-d are arranged between sides of the substrate 14.
  • the deformable elements 22a and 22b are indirectly connected via the anchor element 84a.
  • ends of the deformable elements 22a and 22b can be fixedly connected to the substrate, possibly with the anchor element 84a, and thus (fixed) clamped.
  • the deformable elements 22a-d or other deformable elements may have a beam structure.
  • the beam structure may be firmly clamped at first and second ends.
  • a clamping of ends of a deformable element 22a-d or a beam structure makes it possible to reduce or significantly reduce a deflection of the deformable elements (for instance due to layer stress gradients).
  • the gaps between the covers and the actuators can be much smaller, which has considerable efficiency advantages for some applications
  • the deformable elements 22a-d are, for example, firmly clamped on both sides.
  • a fixed clamping can be obtained by means of an arrangement or production of the deformable elements 22a and / or 22b on the substrate 14 and / or on an anchor element 84a or 84b.
  • Dashed lines 88 indicate an undeflected state, whereas solid bars 92 indicate a deflected shape of the deformable elements 22a-d.
  • Formations or elements 94a and 94b of the substrate 14 may enable positioning of the deformable elements 22a-d along the y-direction.
  • a paired position of electromechanical transducers 18a-c may be shifted based on elements 94a and 94b.
  • Adjacent and / or in pairs mutually arranged electromechanical transducers 18a and 18b may be mutually deformable opposite to each other.
  • the deformable element 22a and possibly an opposing deformable element 22c may be designed to influence, ie to enlarge or reduce, based on the deformation, a partial cavity section 96a or to perform a deformation based on the volume flow in the partial cavity section 96a.
  • the deformable element 22b and optionally the oppositely disposed deformable element 22d may be formed to affect a Sectionkavmaschinesabexcellent 96b.
  • the Operakavmaschinesabterrorisme 96a and 96b may be interconnected, such as in a portion of the anchors 84a and 84b.
  • the deformation of the deformable elements 22a-d can be obtained so that the deformable elements 22a and 22c or 22b and 22d deform with a mutually different frequency, ie a volume change in the Generalkavticiansabrough 96a can be made with a frequency that is of a frequency is different, with which a volume of the Operakavticiansabitess 96b changes.
  • the MEMS converter is used, for example, as a loudspeaker, different frequencies can be obtained in the partial cavity sections based on the frequency-wise different volume change.
  • the partial cavity portions 96a and 96b may have mutually different resonance frequencies.
  • further sectionkavticiansabitese and other deformable elements along the y-direction may be arranged so that the MEMS converter 100, for example, generate further frequencies or may have other resonant frequencies.
  • the deformable elements 22a and 22b or the deformable elements 22c and 22d may also be directly connected to each other.
  • anchor elements may be disposed in a central region of one or more deformable elements 22a-d to affect the deformation of the deformable elements 22a-d. This means that the deformable elements 22a and 22b can be directly connected to each other.
  • a spring element or another element may be arranged between the deformable elements 22a and 22b.
  • the MEMS converter 100 may be designed in such a way that, in a first time interval, the volume flow 12 is obtained in a positive y direction from openings 26 and subsequently, in a second time interval, the volume flow 12 is obtained in a negative y direction from openings 26.
  • FIG. 10 shows a configuration in which, in turn, exclusively, S-shaped actuators are arranged.
  • the S-shaped actuators can be represented in the illustration both actuated (solid lines 92) and non-actuated (dashed lines 88). Actuated and non-actuated state can also be interchangeable by appropriate design.
  • the S-shaped actuators (deformable elements 22a-d) can be clamped both at their one (upper) and at the other (lower) end.
  • the anchor elements 84a-b can be used.
  • the anchor elements 84a-b may be formed from the layers 34a, 36 and 34b and connected to a layer 32a and / or 32b.
  • a starting substrate can be processed in such a way that the actuators can be produced therefrom, wherein the starting substrate can have layer stress gradients, or layer stress gradients can be introduced during the production of the actuators.
  • a deflection of the deformable elements induced thereby can be reduced or prevented based on the arrangement of the anchor elements 84a and / or 84b.
  • the bilateral suspension of the deformable members may result in reducing or preventing deflection thereof toward one of the layers 32a or 32b.
  • Each chamber (Teilkavticiansabites 96a or 96b) may be limited by two S-shaped actuators. In the example of FIG. 10, two chambers may be serially connected in series. The number of serially connected chambers may be selectable based on an area provided on the chip taking into account the acoustic properties, in particular the resonance frequency of the S-shaped actuators or the actuator chamber system and may be between 1 and a high number, for example more as 3, more than 5 or more than 10 vary.
  • the elements 94a and 94b can optionally be arranged, ie the ME S converter 100 can also be designed without these elements.
  • FIG. 1 a shows a schematic plan view of a section of a ME S transducer 1 10, in which the electromechanical transducers 18 a - b are compared with the configuration of FIG.
  • the electromechanical transducers 18a-b may have a longer axial extent. This can be larger partial cavity sections 96a and / or 96b and / or allow a higher number of serially connected in succession Operakavticiansabête or deformable elements.
  • An outer beam segment 30a of a deformable element may be indirectly connected via the anchor element 84 to an outer beam segment 30c of another deformable element.
  • the beam segments 30a and 30c may also be directly, i. h., be directly connected with each other.
  • FIG. 11a shows a further exemplary embodiment in which the active surface is rotated by 45 ° compared to the embodiments of FIG. 10, wherein the available chip area may possibly be utilized to a greater extent.
  • Funnel-shaped openings 26 may be configured such that the sound is preferably perpendicular to the chip edge surface, i. H. along the y-direction in the positive or negative direction thereof can be emitted.
  • Each of the above-described deformable elements may also be formed as a plurality of deformable elements interconnected with each other.
  • 1 1 b shows a schematic plan view of a section of a MEMS converter 1 10 ', which can be used, for example, as a pump.
  • the partial cavity sections 96a and 96b can be connected to an environment of the MEMS converter 1 10 'via two openings 26a and 26b.
  • the Operakavticiansabterrorisme 96a and 96b may be connected via the opening 26a to a first side 97a of the MEMS converter 1 10 'and be connected via the opening 26b with a second side 97a of the MEMS converter 1 10'.
  • the first side 97a and the second side 97b may, for example, be arranged opposite one another.
  • the sides 97a and 97b may also be at an angle to each other.
  • one of the sides 97a or 97b may include one side surface of the MEMS transducer 110 ' and the other side 97b or 97a may include a main side (eg, top or bottom) of the MEMS transducer 110'.
  • fluid flow may be generated from the first side 97a to the second side 97b or vice versa through the MEMS transducer 110 '.
  • the deformable elements 22a and 22c can be deformed in a first time interval and the volume of the partial cavity section 96a can be reduced. In a second time interval, the volume of the partial cavity section 96b be reduced.
  • a direction of the volumetric flow 12 can be influenced.
  • several Sectionkavticiansabterrorisme can be arranged one behind the other or only a Clauskavticiansabterrorism be arranged.
  • the function of a pump can be obtained by the volume flow 12 is generated instead of back and forth analogous to a loudspeaker according to a flow principle by the MEMS converter.
  • An inlet and an outlet side of the ME S transducer may be arranged opposite one another, but may alternatively also have an angle to one another or be spatially or fluidly spaced from one another on the same side.
  • the cavity comprising the partial cavity portions 96a and 96b may include the openings 26a and 26b in the substrate.
  • At least one of the electromechanical transducers 18a or 18b may be configured to provide the volumetric flow 12 based on the fluid. For example.
  • At least one of the electromechanical transducers 18a or 18b may be configured to propel the fluid in a direction of the cavity based on actuation of the electro-mechanical transducer through the first opening 26a or into a fluid based on the actuation through the second opening 26b Direction away from the cavity or vice versa.
  • a negative pressure can result in an intermediate volume, which counteracts the deformation or deflection.
  • the volume may have an opening, for example in the layer 32a and / or 32b, so that a pressure equalization in this volume is made possible. This enables efficient operation of the MEMS converter 110 '.
  • FIG. 12 a shows a schematic view of a MEMS converter 120 which, for example, can be used as a MEMS pump, in a first state.
  • the MEMS converter 120 has, for example, two deformable elements 22a and 22b, which have a beam structure and are clamped on both sides of the substrate 14 or firmly clamped.
  • the MEMS converter 120 can also be designed with a deformable element or with more than two deformable elements.
  • FIG. 12b shows the MEMS converter 120 in a second state.
  • the second state can be obtained starting from the first state, as shown in FIG. 12a.
  • the first state can be obtained based on a rebound of the deformable element or elements.
  • the partial cavity 38 between the deformable elements 22a and 22b is enlarged, for example, with respect to the first state.
  • a Teiikavmaschine 42a and 42b is arranged, the volumes of which can be reduced or enlarged complementary to the volume of Teiikavmaschine 38, also complementary to Teiikavmaschine 38 based on an overpressure or negative pressure can be obtained on the deformation of the deformable elements.
  • valve structure 85a-f may be arranged in a region of a respective opening 26, a valve structure 85a-f may be arranged.
  • one or more valve structures 85a-f may be formed of a material of the substrate 14.
  • the valve structures may be formed integrally with one or more layers of the substrate 14 and, for example, be produced by means of an etching process.
  • the valve structures may be configured to obstruct, ie, reduce or prevent flow of the volume flow 12 through the opening 26 at least along one direction.
  • the valve structures 85b, 85d, and 85f may be configured to reduce or prevent leakage of the fluid from the respective partial cavity.
  • the valve structures 85a, 85c and 85e may be formed to reduce or prevent ingress of the fluid into the respective partial cavity.
  • One or more valve structures 85a-f may be passively formed, such as a cantilevered cantilever structure or tongue structure.
  • one or more valve structures 85a-f may be actively formed, such as an electro-mechanical transducer or deformable element.
  • the valve structures 85a-f can be actuated like the other actuators (electromechanical converter) of the MEMS converter.
  • the valve structure 85d may, for example, be designed to allow the volume flow 12 to flow into the subcavity 38 based on a negative pressure in the subcavity 38, while the valve structure 85c simultaneously reduces or prevents the volume flow 12 from entering the subcavity 38. Occurs, as shown in Fig. 12b, an overpressure in the Operakavitat 38, the valve structure 85 c may be formed to flow based on the excess pressure, the flow rate 12 from the Operakavitat 38, while the valve structure 85 d at the same time a discharge of the volume flow 12 reduced or prevented from the Generalkavitat 38.
  • valve structures 85a, 85b or 85e and 85f may be the same or comparable with respect to the partial cavities 42a and 42b.
  • the valve structures 85a-f may also be referred to as check valves and allow, for example, a setting of a preferred direction of the volume flow 12th
  • valve structures may also be arranged so that the volume flow from at least one Operakavtician 38, 42 a or 42 b flows along another direction, such as the negative y-direction.
  • valve structures 85a-f disposed on each aperture 26
  • valve structures may alternatively be disposed on none or only a few apertures 26.
  • valve structures may be passive for a function as a check valve
  • the valve structures may also be actively formed, that is, they may be controllable and provide an open or closed state of the valve in the sense of actuators based on the drive.
  • two valve structures 85a and 85b, 85c and 85d or 85e and 85f which are each assigned to a partial cavity, can be controlled such that pressure pulses are generated in the fluid flow 12, for instance by a control device connected to the MEMS converter.
  • An actuation of the electromechanical transducers 18 can take place in such a way that a Over- or underpressure is built up in the fluid within the partial cavities 42a, 42b and only then an opening of the valve structures 85a-f is activated.
  • Fig. 12a shows an example in the non-actuated state, in which each chamber is provided at the top and bottom with a respective valve, which can be actively formed. Each valve can be opened or closed individually. Even a partial opening / closing is conceivable.
  • the valve beams can be designed and operated in the same way as the movable side walls, i. h., the deformable elements. They can therefore be based on the same or the same actuator principle.
  • valve bending beams can also be designed so that they are movable in both directions, or the opening (by appropriate applied by the bending actuator valve counterforce) in fluid flow, close (except for a very small gap required for the movement
  • valve stem stops can also be used ("Check valve").
  • the middle chamber in the first state, can be expanded by the two dark actuators (deformable elements 22a and 22b), while the two outer chambers (partial cavities 42a and 42b) are compressed.
  • the first chamber fills via the check valve 85d with the fluid from the lower region.
  • the latter push fluid into the upper area through the check valve 85a or 85e.
  • the middle chamber is compressed. Fluid is pushed into the upper area.
  • the outer chambers fill with the fluid from the lower area.
  • FIG. 13 shows a schematic view of a first deformable element 22a and a second deformable element 22b, which are connected to one another along a lateral extension direction 98 of the deformable element 22a and / or 22b.
  • a spring element 102 is arranged between the deformable element 22a and the deformable element 22b.
  • the spring element 102 can cause reduced mechanically induced restoring forces in the deformable elements 22a and 22b.
  • the spring element 102 may have a low rigidity in a direction 98 ', which is perpendicular to the direction 98, and a high rigidity along a direction 98 ", which may be arranged perpendicular to the direction 98 and 98' deformable elements 22a and 22b and the spring element 102 can be arranged, for example, as the deformable element 22a in the MEMS converter 110.
  • suitable spring elements 102 can be arranged for strain relief of the S-shaped actuators 22a-d clamped on both sides at clamping locations or, for example, also in a region between clamping locations, approximately in the center.
  • the spring element 102 is, for example, inserted in the middle of the actuators and is particularly flexible in the desired direction (98 ') and rigid in the two directions (98 and 98 "), ie it has a high or high rigidity
  • the spring element 102 may have a lower stiffness along the lateral movement direction 24 than in a direction perpendicular to the lateral movement direction 24.
  • FIG. 14 shows a schematic view of a stack 140 comprising a MEMS converter 80'a and a MEMS converter 80'b, which are connected to one another and, in comparison with the MEMS converter 80, have a common layer 32, which means a layer 32a or 32b of the MEMS converter 80 is removed.
  • the electronic circuit 17 may be configured to jointly drive the MEMS converters 80'a and 80'b.
  • each of the MEMS converters 80'a and 80'b may have an associated electronic circuit.
  • a cover surface of the MEMS converter can form an outer side of the stack, wherein the MEMS converter can have an opening in the cover surface, which is arranged facing away from a side facing the second MEMS converter, wherein the volume flow 12 of the MEMS transducer 80 'a perpendicular or opposite to the flow of the MEMS converter 80' b from or enters the cavity.
  • a membrane element 104 can be arranged on the MEMS converter 80 ' a.
  • the membrane element 104 may be arranged so that an outlet of the volume flow 12th from the cavity and through the membrane element 104 or an entrance of the volume flow 12 into the cavity 16 is at least partially prevented.
  • the cavity may extend to regions disposed outside of the MEMS transducer 80'a and disposed between the MEMS transducer 80'a and the membrane element 104. Based on the volume flow 12, a deflection of the membrane element 104 can be effected.
  • the membrane element 104 can be arranged, for example, by means of a frame structure 106 on the MEMS converter 80 'a.
  • the frame structure 106 may be disposed on a side of the MEMS converter 80'a, such as on a major side of the layer 32b.
  • a tilt can be performed by an angle different from 90 °.
  • the MEMS converter 80 'b may have openings on or in the layer 32 b so that the volume flow 12 can enter and exit cavities on two sides of the stack 140 and / or out of cavities, the sides being arranged opposite to one another are.
  • the stack 140 may also comprise a further or different MEMS converter, for example the MEMS converter 20 or 80.
  • the MEMS converter 20 may be arranged between the MEMS converters 80'a and 80'b. This allows entry or exit of the volumetric flow 12 into or out of cavities along a direction that is perpendicular to a corresponding direction of the MEMS transducer 80'a.
  • sound exit openings 26 may also be mounted in the lower lid 32a and / or in the upper lid 32b instead of on the chip side surfaces.
  • Fig. 14 shows a corresponding simplified representation.
  • the openings 26 in the upper lid 32b can be seen. Similar openings may be in the lower lid 32b, but are not recognizable based on the perspective view.
  • the layer 32 may also have openings, that is, cavities, partial cavities and / or partial cavity portions of the MEMS transducers 80'a and 80'b may be interconnected. Via the openings in the layer 32 may be vertically interconnected (along the z-direction) superimposed chambers.
  • a grid comprising one or more rod elements (grid bars) 44 which can be designed to set the damping and in particular as protection against particles, can also be easily realized in the variant described in FIG. 14.
  • the openings 26 in the upper lid 32b and the lower lid 32a may be formed by a wet or dry chemical etching process. Before the etching, the desired lattice can be patterned in an additionally applied thin layer, which has a suitably high selectivity for the etching of the openings.
  • an etching process with a suitable high isotropy or lateral undercutting can now be selected so that the grid webs 44 can be undercut.
  • the lattice can be produced in a silicon oxide or nitride layer and the lids can be made of silicon, which can then be structured by means of deep reactive ion etching (DRIE).
  • DRIE deep reactive ion etching
  • This process can be set to achieve undercuts on the order of microns.
  • a wet-chemical etching with tetramethylammonium hydroxide (TMAH) and / or potassium hydroxide (KOH) or nitric acid (nitric acid - HNA) can be carried out.
  • TMAH tetramethylammonium hydroxide
  • KOH potassium hydroxide
  • nitric acid - HNA nitric acid
  • the sound exit surface may thus comprise a larger portion of the chip area and be made larger, if necessary, as compared to MEMS converters having an exit on a side surface, such as the MEMS converter 80.
  • This option offers further freedom in terms of acoustic properties and damping.
  • a combination of sound exit openings in the covers 32a and 32b and the side surfaces between the cover surfaces 32a and 32b is a feature of further embodiments.
  • a preferred variant for highly integrated systems may include the provision of openings in the lid 32b to deliver the sound upwards and include the attachment of the pressure equalization openings on the side in order to be able to easily apply the component to a printed circuit board, for example.
  • the sound inlet openings or sound outlet openings 26 can be designed such that the acoustic properties and / or the damping properties are set in a targeted manner.
  • the lower and / or upper layers 32a and 32b may in principle also be capable of oscillation.
  • the oscillation of these elements can be suppressed or reduced by suitable additional connecting elements in the intermediate layers 34a and 34b or 36, for example by the armature elements 84.
  • the suppression or reduction can include shifting the oscillation into a frequency range outside of the sound of hearing lies.
  • the oscillation of the layers 32a and / or 32b can also be targeted for optimization be implemented the acoustic radiation, whereby also targeted compounds can be used in the layers and additionally the stiffness or the acoustic properties of the layers 32a and 32b by appropriate structuring (through holes or blind holes) can be adjustable.
  • a membrane to the upper lid 32b, which is then excited by the volume flow 12 of the chambers to vibrate.
  • This is indicated schematically by the dashed line 04.
  • a spacer in the form of a frame or spacer (spacer) 106 may be arranged on the upper cover 32b, on which the membrane 104 may be arranged or clamped.
  • the production of such a membrane 104 can take place with known micromechanical processes.
  • the membrane 104 can also be arranged in the interior of the cavity or partial cavity and / or cover only one or a portion of the openings 26.
  • chambers which can generate a partial volume flow independent of some, several or all other chambers, for example in partial cavities or partial cavity sections.
  • Chambers can be realized which consist of subchambers which are contiguous in the lateral and / or vertical direction (laterally see, for example, FIGS. 10 and 11) (vertically see, for example, FIG. 14), wherein exemplary embodiments also show a combination thereof.
  • Such contiguous subchambers (such as subcavity sections 94a and 94b) may be utilized to create a subvolume stream independent or dependent on other chambers or subchambers.
  • a case in which a chamber (partial cavity) can generate a volume flow independently of one another can be referred to as a mono-chamber.
  • a chamber that can generate a volume flow based on a plurality of subchambers (subcavity sections) may be referred to as a composite chamber.
  • Partial cavities and / or partial cavity sections can be based on spatial expansions of the volumes, a geometry of the electromechanical transducers and / or a frequency with which the electromechanical transducers are operated to emit the volume flow at a different frequency and / or be optimized for the detection of certain frequencies of the volume flow.
  • only mono-chambers are used.
  • the sound outlet openings can be arranged only laterally.
  • Three chips / disks can be stacked on top of each other.
  • the upper chip may be optimized for sound radiation in a first (eg high frequency range).
  • a second, approximately middle, MEMS converter may be adapted to a second frequency range (approximately medium frequencies).
  • a third MEMS converter may be adapted for a third frequency range, such as low frequencies. This can be a three-way speaker can be obtained.
  • the arrangement of the three channels could also be done in one chip by adding laterally a first number N, of chambers for the high frequencies, a second number N 2 of chambers for middle frequencies and a third number N 3 for low frequencies Frequencies is used. This principle can easily be extended for an N-way system in lateral and stacking, even in the vertical direction.
  • an N-path system is configured to generate the sound via Fourier synthesis of the respective harmonics having the frequencies N * f, where f, represents the lowest frequency.
  • a MEMS converter with at least one further MEMS converter can be arranged in a stack, wherein a stack, for example, by an arrangement of at least two MEMS transducers along a lateral direction (approximately the x-direction) and / or a thickness direction (about the z-direction) can be obtained.
  • the MEMS transducers may also be spaced from each other.
  • the cavity of the MEMS converter and the cavity of the at least one further (second) MEMS converter may have a resonance frequency which differs from one another.
  • an N-way loudspeaker In an actuator operation, i. that is, the deformable elements are actively deformed, an N-way loudspeaker can be obtained, where N denotes a number of MEMS transducers with mutually different resonance frequencies.
  • N denotes a number of MEMS transducers with mutually different resonance frequencies.
  • different frequency ranges of the volume flow can be detected with different MEMS transducers. This allows, for example, a Fourier synthesis of the volume flow.
  • the controller 128 may be configured to detect the deformation of the deformable elements of one or more of the electromechanical transducers of the MEMS transducer and the another MEMS transducer.
  • the control device may be configured to calculate a Fourier synthesis based on the electrical signals and output a result.
  • the contiguous sub-chambers can also support different frequencies by corresponding position of the resonance maxima.
  • three subchambers could represent a three way system.
  • the z For example, in the rear part chamber (first section along an axial extension) low-frequency modulated air flow would be additionally medium-frequency in the middle part chamber (second part along an axial extension) and in the front part of the chamber (third part along an axial extension) experience a high-frequency modulation. At high frequencies, not a required stroke, so a deflection of the electromechanical transducer to be lower than at low frequencies to produce the same sound pressure.
  • each chamber is surrounded by at least one second chamber into which air flows in order to equalize the pressure when air flows into the first chamber or vice versa. Obviously, this is especially true when there are no partitions between these chambers, as an actuator increases the volume of one chamber while reducing the volume of the other chamber, and vice versa.
  • z. B. for use as speakers in hearing aids or in-ear headphones is often the outside air (ie the outside of the ear) is not moved through the speaker. Rather, only by the oscillation z. B. a membrane, the volume in the ear canal varies periodically. This can be done in all variants presented and in the following by the corresponding openings, which lie in the illustrated variants either on a chip top side, a chip bottom side or on a chip side surfaces remain closed. For this purpose, it is only at these points to dispense with the structuring of the bar grille.
  • Generei! applies and applies to all speaker areas, that bar grille can be replaced in certain places or completely by a closed membrane.
  • the particle sensitivity is maximally reduced and enables the operation in particular in contaminating or corrosive gases and liquids.
  • an additional mass element can be deliberately provided on the bending reactor or also on the optionally present rigid plate in order to reduce the resonance frequency.
  • Such an element can be provided in a simple manner in the structuring of the layer 36.
  • the mode of action of an additional mass Am can be explained on a model of the harmonic oscillator.
  • oscillation amplitude ⁇ ( ⁇ ) of an element of mass m suspended by a spring of stiffness k is given in sinusoidal excitation with a force of amplitude F 0 as:
  • is the angular frequency of the excitation and c the damping constant. If the resonator is operated in the quasi-static range, the amplitude is independent of the mass. It holds for ⁇ « ⁇ 0 :
  • the component should also be designed for the generation of ultrasound.
  • beams are provided with position-sensitive elements (eg, piezoresistive, piezoelectric, capacitive, etc.), in order then to provide a component as a microphone.
  • position-sensitive elements eg, piezoresistive, piezoelectric, capacitive, etc.
  • known wafer bonding techniques and deep reactive ion etching can be used.
  • the production of the actuators depends on the chosen operating principle and is initially hidden. This part can be incorporated modularly into the following exemplary process.
  • the following diagram refers to a component with only lateral borrowings for the air flow.
  • BSOi bonded silicon on insulator, bonded silicon on an insulator
  • the handle wafer forms the lower lid 32a of the MEMS loudspeaker device.
  • the buried oxide layer of the BSOi disk may later act as a spacer layer 34a.
  • the active layer of the BSOI disc may correspond to layer 36.
  • the carrier disk may have a thickness of 500 to 700 .mu.m and may be further thinned if necessary - possibly at the end of the process.
  • the buried oxide layer may have a thickness of 50 nm to 1 pm.
  • the active layer of the BSOI disc may have a thickness of 1 to 300 ⁇ m.
  • the layer 36 is, for example, preferably structured with deep reactive ion etching (DRIE).
  • DRIE deep reactive ion etching
  • the buried oxide layer (34a) can be removed or at least thinned at least locally in the movement region of the actuators. This can be wet-chemically, z. B. with BOE (Buffered Oxide Etch - buffered HF solution) or dry chemical, z. B. by means of gaseous HF (hydrofluoric acid), take place. After at least partial removal of the spacer layer 34a in the range of motion of the actuators z.
  • BOE Bouffered Oxide Etch - buffered HF solution
  • gaseous HF hydrofluoric acid
  • Example via a vapor deposition (chemical vapor deposition, chemical vapor deposition - CVD or atomic layer deposition, atomic layer deposition - ALD) are deposited a low-friction layer, which closes the gap between the layer 34a and the actuators (deformable elements) or greatly reduced.
  • areas can already be defined during the bonding of the panes for the production of the BSOI panes by deposition and structuring of suitable layers in which no bonding takes place, as described, for example, in US Pat. No. 7,803,281 B2.
  • Such a method can be used for upper and lower covers.
  • the layer 34b is preferably structured, for example, by means of reactive ion etching (RIE). With these two structures, all elements in layer 36 and 34b are made as shown in the corresponding figures. This also includes the rod-shaped lattice structure.
  • a low-friction layer can also be used for the upper lid (layer 32b). This is then z. B. applied to the lid before bonding.
  • the spacer layer 34b can then be dispensed with.
  • a low-friction layer can be obtained by depositing a material.
  • a coefficient of friction may be 10%, 20%, or 50% less than a material of layers 32a, 34a, 34b, or 32b.
  • the layer 36 can also be used as an electrical conductor with appropriate doping. Especially when actuators with different frequencies are to be excited, a vertical electrical insulation in layer 36 is advantageous. This can be z. B. by so-called filled trenches, as described in [8] can be achieved. The use of open trenches for electrical insulation is also an option.
  • a layer is applied and patterned onto a second wafer, which may be formed as a silicon wafer having a typical or possible thickness of 500 to 700 microns, and will, for example, form the top lid 32b.
  • This layer corresponds to the spacer layer 34b.
  • the thickness of this layer preferably corresponds to that of the buried oxide layer.
  • the material for the spacer layer all materials are available which allows the later to be performed bonding of the second disc on the BSOI disc. Exemplary here is called silicon oxide, preferably thermal oxide for the direct bonding of silicon oxide on silicon. Alternatively, polysilicon can also be used for the direct bonding.
  • a further alternative is to etch recesses which are suitable for the second disc, so that the function of both the upper cover 32b and the function of the spacer layer 34b is reproduced from the disc.
  • These depressions can be dispensed with, at least in the area of the actuator movement, if the pane is coated with a suitably low-friction layer at these locations, so that the distance between actuator (movable element) and lid (layers 32a and / or 32b) can be dispensed with , On another layer on the second pane - apart from auxiliary layers (masking) for structuring - can be waived then. This also allows the direct bonding of silicon on silicon.
  • the spacer layer 34b then consists of a polymeric material (eg BGB).
  • Conceivable for reasons of non-existent CMOS compatibility but not preferred, are also Au-Si eutectic bonding method or anodic bonding method (Na-ion containing layers).
  • the core of the production in the laminated composite is completed.
  • the production of electrical wiring and contacts and possibly required electrical insulation structures was not carried out.
  • These elements can be provided by known standard processes according to the state of the art: production of interconnects z. Example by sputtering and structuring of AlSiCu, vertical isolation by deposition and patterning of oxides, lateral isolation by open or filled isolation trenches, which completely penetrate the layer 36.
  • z. B. allows by the device within a frame with this z. B. is connected via four thin webs.
  • structuring are mainly anisotropic etching, such. As TMAH, KOH and DRIE in question.
  • the DRIE structuring of the layer 36 is the preferred variant.
  • the webs are destroyed. This can be z. B. done mechanically or by laser processing.
  • the layer 36 can be structured by means of DRIE in order to realize the vertical course of the bar grids. From the chip surface then results in a trench, which ends on the lower lid 32b. This trench can now be filled with a polymeric material (eg photoresist).
  • the polymer serves to protect against contamination in the subsequent saw-singling process. After sawing, the components are rinsed and cleaned, to remove the sawdust. Subsequently, the polymer is removed by suitable solvents or in an oxygen plasma.
  • openings in the lower and upper cover are used instead of the lateral openings, then the production is to be expanded, as already described in the context of FIG. 16.
  • the separation lower and upper opening z. B. be protected by a film so that sawing or laser cutting are possible.
  • the openings may also be closed by a polymeric material, e.g. B. photoresist, are sealed for the separation process and then be removed by a solvent or in the oxygen plasma again.
  • the stacking of components is preferably carried out in the disk composite by bonding method.
  • the electrical contacting can then take place either by electrical contacts (bond pads) in the respective layer 36 or, when using TSVs (through-silicon vias), also via so-called bumps on the chip underside.
  • TSVs can also be used to electrically connect the stacked dies.
  • TSVs and bumps can also be used.
  • the spacer layers 34a and 34b can remain unstructured in the region of the bar grids.
  • a simple electrostatic action principle can be realized for a part of the component variants shown above without active bending beam.
  • the MEMS converter 50 may be designed so that rigid plate elements 62a and 62b are designed as capacitor plates or capacitor plates that move so far toward each other due to an electrical potential difference until the then acting as a bending spring elements 64 a corresponding mechanical counterforce exhibit.
  • the bending bales can be deflected directly via an additionally arranged, fixed counterelectrode.
  • the use of comb electrodes to increase the forces or the deflection is conceivable.
  • Another electrostatic principle is based on the use of a cantilevered beam, which has a very small distance to an electrode at its clamping and this electrode spacing increases with increasing distance from the clamping.
  • the distance at the clamping can be zero. If there is an electrical voltage between the bending beam and the electrode, then a part of the bending beam determined by the height of the electrical voltage and the rigidity of the beam will conform to the electrode.
  • the space between the beam and the electrode forms the chamber 42a, which can be changed in its volume as described.
  • a basic principle of such actuators is described, for example, in the literature. In [9], for example, vertically deflecting actuators are presented.
  • the variation of the electrode spacing is realized by targeted introduction of layer stresses in the production of the bending beam.
  • actuators could easily be realized according to this principle by appropriate structuring of the layer 36.
  • an insulating layer is to be applied between the electrode and the bending beam, which is easy to implement by known methods of microsystem technology.
  • the introduction of a layer tension is not required because the bending beams already obtained by structuring the desired shape.
  • the actuators are laterally deflectable and thus used for the component principle described above.
  • the electrostatic working principle offers a large number of advantages. No external components, such as magnets or coils are required, and no contamination-critical materials are required for clean rooms and, in particular, CMOS-compatible cleanrooms.
  • the hitherto pursued membrane approach has some disadvantages. This includes that with a single oscillating membrane or plate the entire Hörschall Scheme can be covered only insufficient.
  • the approach of operating the membrane or membranes quasi-statically solves this problem, however, due to the lack of resonance increase at the expense of the deflection and thus at the expense of the achievable volume flow or the achievable sound level. The latter hang for a fixed volume, such. For example, for in-ear headphones together [1 1]:
  • SPL stands for "Sound Pressure Level"
  • P 0 is the normal pressure
  • AM is the volume change that can be achieved through the loudspeaker
  • P ref is the reference pressure, which indicates a measure of the threshold of hearing, it is 20 Pa
  • V is 0
  • the volume of the ear cavity is about 2 cm 3 .
  • Electrodynamic transducers can, for example, achieve very high diaphragm deflections and thus a high volume flow.
  • the volume of the overall structure is very large due to the required permanent magnets. For speakers in mobile phones, which offer less and less space in perspective in one dimension, this approach generally appears restrictive.
  • Piezoelectric bending actuators require the deposition of a piezoelectric layer on a substrate.
  • This piezoelectric layer could, for example, correspond to the layer 58 from FIG. 3, which is then arranged laterally to, for example, silicon-comprising or consisting of layer 56.
  • the production of such actuators is possible with surface micromechanical processes.
  • Another variant for thermo-mechanical actuators is the use of bimorphs, which are heated by electric current.
  • an oxide layer could be conformally deposited, so that all side walls are also coated. This oxide layer could then be removed everywhere except on the one side wall of the bending element by masking and etching processes.
  • the use of an electrodynamic principle of action is easy to implement for the cantilever beams clamped on both sides.
  • the direction of the current flow can be selected for the individual bars according to the desired direction of deflection.
  • the optional production of the printed conductors takes place using standard processes of surface micromechanics.
  • the additional topography in the case is to be considered in the choice of the thickness of the spacer layer 34b.
  • the preferred embodiment for the bending actuator is a lateral electrostatic actuator, which relies on the use of very small electrode spacings and thus can operate and operate at low voltages.
  • lateral actuators are described, for example, in EP 2 264058 A1. This technology allows the production of all the above-described bending actuator and component variants and can be integrated in a simple manner modular in the above-described core part of the manufacturing process of the components.
  • Bending reactor length 1 mm, height: 30 ⁇ m, width 10 ⁇ m Chamber: For the calculation of the flow resistance to the outside, a mean width of 50 pm was assumed. This underestimates the flow resistance with large deflection of the bending actuators. Layer thicknesses of the spacers 34a and 34b: 0.5 pm each
  • the assumed dimensions are only to be understood as examples and can be implemented very well with micromechanical technologies.
  • the assumption of laminar flow could be incorrect due to the small width of the actuators (top: 10 pm), which corresponds to the tube length.
  • this assumption is a worst-case assumption, since the turbidity increases the flow resistance.
  • the bending actuators in the layer 36 may be provided with suitable laterally formed elements. Arrangements which form vortices when flowing around are to be regarded as suitable.
  • a deliberate roughening of the chamber-facing surface of the lid 32a and 32b can promote the formation of a turbulent flow.
  • the layers 1 12 and 1 14 may have an electrode.
  • one electrode can be arranged on the layers 1 12 and / or 14. Based on application of an electric potential, a repulsive or attractive force can be generated between the layers 1 12 and 1 14.
  • the attractive or repulsive force can lead to a deformation of the elements 16a-c, so that a deflectable from a clamped end 1 18 deflectable end 122 of the deformable element 144 along the lateral direction of movement 24 is deflectable.
  • the deformable element 150 can have a first layer 14 and a second layer 16, wherein 16 spacers 16a-c can be arranged between the first layer 14 and the second layer 16.
  • the spacers 16a-c can be arranged in an inclination direction 124 obliquely to a course of the layers 1 12 and 1 14.
  • An attractive force between the layers 1 12 and 1 4 may cause a deflection of the deformable element 150.
  • the deformable element 150 may be planar or simply curved along the direction of inclination.
  • the deformable element or the layers 1 12 and / or 1 14 also have at least two discontinuously juxtaposed sections, approximately following a sawtooth pattern.
  • FIG. 16 shows a schematic plan view of a deformable element 160 which is arranged adjacent to an electrode 126.
  • the deformable element 160 can have a further electrode 127 or the further electrode 127. Based on an applied electric potential between the electrode 126 and the further electrode 127 of the deformable element 160, an electrostatic or electrodynamic force F can be generated. Based on the electrostatic or electrodynamic force F, deformation of the deformable member 160 may be effected.
  • a distance between the deformable member 160 and the electrode 126 may vary along the axial extension direction 98 of the deformable member. In a region where the mechanical transducer or deformable element 160 has a connection to the substrate 14, the distance may be minimal. This allows a high controllability of the deformation of the deformable element 160. Alternatively, the distance between the electrode 126 and the deformable element 160 along the extension direction 98 may be arbitrarily variable or constant.
  • Electromechanical transducers can be formed according to embodiments as electrostatic transducers, as piezoelectric transducers, as electromagnetic transducers, as electrodynamic transducers, as thermomechanical transducers or as magnetostrictive transducers.
  • deformation of the deformable element may be effected or deformation of the deformable element may be detectable.
  • FIG. 17 a shows a schematic perspective view of a MEMS converter 170 according to an exemplary embodiment.
  • the layer 36 also includes the layers 34a and 34b described, for example, in connection with FIG. 2a.
  • the cavity of the MEMS converter 170 is connected via openings 26 to an external environment of the MEMS converter 170.
  • the electronic circuit 17 may be designed in several parts, so that a first part 17a of the electronic circuit 17 is arranged on or in the layer 32b. A further part 17b of the electronic circuit 17 can be arranged in another layer, for example the layer 32a and / or 36.
  • the MEMS converter 170 may have on or in the layer 32b vias 19, which serve as contact pins for the input and / or output of electrical signals to or from the electronic circuit 17, for example.
  • Fig. 17b shows another schematic view of the MEMS converter 170 with the side 32a in the foreground.
  • a second part 17b of the electronic circuit 17 may be arranged on or in the layer 32a.
  • the layer 32a may also have vias 19. Some of the vias may have the same functionality.
  • the plated-through holes can be used, for example, for the through-hole through the entire layer stack, one, some or all but only for parts of the stack, for example up to the deformable elements.
  • some of the vias 19 may be the contacts to the deformable elements of the transducer, and others of the vias 19 may be those connecting the electronic circuitry of the lid wafer to the electronic circuitry on the bottom wafer.
  • FIG. 17c shows a schematic perspective view of the MEMS converter 170 analogous to the view in FIG. 17a, the openings being configured such that grid webs 44 are arranged in order to at least make it more difficult for particles to enter.
  • the arrangement of the electronic circuit 17 in layers of the MEMS converter, such as the MEMS converter 170, on the one hand allows to obtain a highly integrated structure, which allows a reduction or avoidance of external circuit structures, so that the overall device can be made small.
  • the arrangement of the electronic circuit in a layer of the layer stack makes it possible to obtain short signal paths, which is advantageous both for the range of electromagnetic compatibility and for time aspects and performance aspects of the device.
  • a division of the electronic circuit 17 further allows the electronic circuits 17a and 17b to implement different or complementary functions and / or be implemented in complementary technologies, such as MEMS and CMOS.
  • the electronic circuits 17a and 17b may be in electrical connection with each other and / or with the electromechanical transducer.
  • the structure of the MEMS transducer 170 as a layered structure makes it possible to fabricate the individual layers separately from one another, for example in mutually different semiconductor fabrication processes.
  • circuit patterns 17a and 17b obtained in a chip of the MEMS converter 170 based on different semiconductor manufacturing processes can be arranged.
  • This can also be understood as meaning that a first electronic circuit 17a is arranged in a first cover layer of the layer stack and that a second electronic circuit 17b is arranged in a second cover layer of the layer stack of the substrate.
  • Each of the two electronic circuits 17a and 17b is arranged along a direction perpendicular to the in-plane moving plane.
  • the deformable element may be arranged at least temporarily between the first and the second electronic circuit 17a and 17b during a deformation thereof.
  • the electronic circuit 17 or the layer in which it is arranged at least electrically connected to an outer side of the MEMS converter or represent the outside of the MEMS converter. This allows a contactability of the MEMS converter with a line arrangement, such as on a circuit board.
  • embodiments enable obtaining an overall device comprising different functionalities integrated in the MEMS converter. These include z.
  • a production of individual functional elements can be used or implemented in different manufacturing processes, which may not be combinable or difficult to combine during the production of a wafer.
  • the manufacturing processes can be selected with greater flexibility and combined at the level of functionality, ie, assembled in the MEMS converter 170.
  • the upper wafer (lid) may include electronic circuit elements for the low voltage range, ie, small electronic structures requiring little space and allowing high speed.
  • the lower wafer (bottom) may include high-voltage D / A conversion for operating a loudspeaker, ie, large, high-capacity transistor structures that are slow.
  • a corresponding advantage can be obtained for memory elements, light sources or additionally integrated MEMS sensors / actuators.
  • the integration of complementary functionality can be divided arbitrarily.
  • an integrated electronic circuit 17 or 17a and / or 17b can be realized in the layers 32a and / or 32b. This can be used, for example, to control the actuators for the generation of sound and to set the respective electrical voltage according to the desired sound pressure, as well as to realize the electrical excitation at the desired frequency. Also an optionally required conversion of a digital electrical input signal into an analog control signal is possible with the integrated circuit, for example in the form of a D / A converter or by pulse width modulation (PWM).
  • PWM pulse width modulation
  • the microphone function can be realized in this circuit, for example, the electrical Signai (pre) processing - while maintaining short signal paths - or an A / D conversion.
  • vias 19 are conceivable, which can be arranged in the layer 32a and / or 32b. These can penetrate the layer 34a or 34b, so that individual continuous electrical connections from the integrated circuit to the individual actuators (bars) can be implemented. For example, two electrical contacts may be provided for each bar.
  • the plated-through holes 19 may be connected via integrated strip conductors to the electronic circuit 17, which is not shown in the figures.
  • CMOS complementary metal oxide semiconductor
  • the vias in the silicon CMOS wafer can already be made before bonding (case a). In this case, it may be necessary for the through-contacts of the layer 34b to be present even before the bonding. Alternatively, it is also possible (case b) that both vias are made only after bonding. Simplified shown this can be done after bonding at the appropriate locations with the aid of a masking etching to the electrically contacted points of the bars and the resulting blind hole with an electrically conductive material, such as a metal or doped Halbleitermate- material, filled again become.
  • the side walls of the blind hole can be covered with an electrically insulating layer before filling with the electrically conductive material, for example silicon oxide and / or silicon nitride.
  • FIGS. 17a to 17c are illustrated with the electronic circuit arranged in two layers surrounding the cavity 14, the electronic circuit may also be disposed only on one layer, such as a layer configured to have one Board or the like to be associated, that is, a soil layer.
  • additional functional elements can be realized in at least one of these layers, wherein this layer can then have plated-through holes.
  • TSV through-silicon via
  • spacer layer 34b may be a manufacture of the spacer layer 34b on the back of the lid wafer, i. H. layer 32b, and these common layers are then bonded to the wafer.
  • a spacer layer 34a can be produced on the layer 32a, and this laminate can be joined together with other layers by subsequent bonding. The respective layers produced together may be contacted with other components prior to bonding.
  • plated-through holes in the layers 32a and 32b or layers 34a and 34b arranged thereon can be provided at any point in the process sequence.
  • a MEMS converter as described above, is arranged in the cavity, that the cavity of a relatively thick wafer is formed, so that can be dispensed with at least some of the steps for performing a wafer bake.
  • Fig. 18a shows a schematic perspective view of a MEMS converter 180, in which the layer 32b faces the viewer, as is the case for example in Fig. 17a.
  • the layer 32b Adjacent to the electronic circuit 17a, the layer 32b may comprise a functional element or MEMS structure 21, which may have one or more MEMS functions.
  • the MEMS structure 21 may include an inertial sensor, a magnetometer, a temperature and / or humidity sensor, a gas sensor, or a combination thereof. Alternatively or additionally, it can be any desired sensor, an arbitrary actuator, a wireless communication interface, a light source, a memory module, a processor and / or a navigation receiver.
  • the electronic circuit 17a can be designed to control and / or evaluate the MEMS structure 21.
  • the layer 32a in which the electronic circuit 17a is located is a functional element, i. H. the MEMS structure 21, may include.
  • the functional element may be connected to the electronic circuit, wherein the electronic circuit 17a may be designed to control or evaluate the functional element.
  • FIG. 17b shows a schematic perspective view of a MEMS transducer 180 'that is modified from the MEMS transducer 180 such that an opening 26a is disposed in the layer 32b and is located, for example, within the MEMS block 21.
  • the electronic circuit 17a is both designed to drive the electromechanical transducers in the interior of the cavity and / or read out and designed to actuate and / or evaluate the MEMS structure 21.
  • the MEMS transducer 180 ' may include another opening 26b in the substrate.
  • the opening 26b may be arranged such that the fluid stream 12 travels a long distance through the MEMS transducer 180.
  • the opening 26b may be arranged on one or in one of the MEMS structure 21 of the maximally removed side wall of the MEMS converter 180 '.
  • the MEMS structure (functional element) 21 may be formed, for example, as a gas sensory functional element, which is arranged in the cover layer 32b.
  • the gas sensing functional element 21 may be configured to interact with the fluid stream 12 as it passes through the opening 26a and to sensory capture the fluid stream 12. In other words, the functional element 21 can be designed to detect properties of the fluid flow 12.
  • the above-described complementary functionality of two parts of the electronic circuit can be, for example, with respect to the gas sensor element on one side of the stack, for example the underside, and an electronic control on an opposite side of the stack.
  • the production process for the gas sensor element for example manufactured using MEMS technology
  • MEMS technology can not be integrated into the manufacturing process for the electronic circuit, for example manufactured in CMOS technology, on the front side at great expense, so that the Division of functionalities into complementary pairs enables the use of standard manufacturing processes. This can be done by using one of these standard processes to implement the drive function of the gas sensor on one wafer and the drive function for the electromechanical converters in another wafer, which are later brought together by wafer bonding to the MEMS converter, such as the MEMS converter.
  • the gas-sensing functional element 21 can enclose the opening 26a in order to provide the largest possible contact of a surface with the fluid flow 12.
  • the gas-sensing functional element at least partially protrudes into the opening, for example when an element for measuring a flow velocity or the like is arranged.
  • the layer 32b has an opening.
  • An additional opening is located in the layer stack on the right side, for example.
  • the fluidically interacting elements in layer 36, d. H. the deformable elements or the plate elements are, in this example, designed so as to form a micropump together with the cover layer and with the bottom layer 32a and 32b.
  • the ambient air could be drawn in via the opening 26a and expelled to the opening 26b.
  • a gas sensor which is supplied by the proximity to the opening quasi-continuously with ambient air. This allows the sensor to react much faster to changes in ambient air than in the case of gas exchange based on fusion only.
  • FIG. 19a shows a schematic view of a layer 27, which may be part of a layer stack of a MEMS converter according to exemplary embodiments.
  • the layer 27 comprises a first main side 29a and a second main side 29b, wherein the left side of Fig. 19 is shown with the main side 29a visible and in the right side of Fig. 19 by rotation of the layer 27 about the axis 23 page 29b is visible.
  • the side 29 a has an electronic structure 31 a, which has a first spacing grid 33 a.
  • the second side 29b also has an electronic structure 31b which has a spacing grid 33b different therefrom.
  • the electronic structures 31 a and 31 b may be electrically connected to each other within the adaptation layer 27, so that adaptation or conversion of the first spacing grid 33 a into the second spacing grid 33 b and vice versa is made possible by the adaptation layer 27.
  • the spacing grids 33a and 33b may be adapted to facilitate or facilitate contacting a respective side 29a or 29b with a particular type of electronic circuit.
  • one of the two pitches 33a or 33b may be configured to be compatible with a commonly used or standard screening of devices or boards, while the other pitch grid has a smaller pitch, for example, to provide a more compact design of circuit structures in the MEMS. Converter to be possible.
  • distances in the pitch grid 33b may be larger than in the pitch grid 33a.
  • the layer 27 can be any layer in the layer stack, for example a layer that allows contacting with other components, for example the layers 32a and / or 32b in FIG. 17a. This means that the layer 27 can be a cover layer of the stack.
  • the layer 27 may be configured exclusively as an adaptation layer for adapting the spacing patterns, that is, the electronic circuit 17 does not have.
  • the layer 27 may be a cover layer of the stack, such as when the electronic circuit 17 is disposed only on one side of the stack.
  • the layer 27 can be arranged as a cover layer of a stack, which is a use of the same interposer d. h., Translator allows. This means that it can also fulfill the function of an interposer.
  • On this layer can then z. B. soldering or other suitable connection method for producing the electrical contacts, a further chip or circuit carrier with electronic and / or sensory func tionality are applied, which has the appropriate spacing grid.
  • d. h. By the additionally contacted chips, the part or even the entire electronic functionality for the control / readout of the converter is realized or all additional sensory functionalities are provided.
  • the gas sensor element it is possible to place the gas sensor element not only in the vicinity of the opening 26a, but possibly also directly above the opening, ie, the gas sensor element may protrude into the opening.
  • the sensory element can be suspended in the opening 26a.
  • a pump with a previously described functionality may also utilize, for example, a portion of the available chip volume. In this way, another part, for example an area provided for a loudspeaker and / or a microphone, can be used for this purpose.
  • the chip volume or a portion thereof may be used as an ultrasonic transducer or for another function described herein.
  • the use of the described technology is also possible as a microdosing unit with integrated sensors and signal processing.
  • a glucose sensor may be integrated as a MEMS element with a micropump, which is connected to an integrated, realized in the layer 36 reservoir.
  • the pump can deliver the necessary amount of insulin from the reservoir.
  • medicaments and / or active substances such as analgesics, for example as a morphine or hydromorphone pump.
  • the novel approach is also based on the fact that the sound recording or the sound reproduction is performed by a MEMS chip, in which the fluidically active elements are not housed on the chip surface, but in the interior of the chip.
  • the areas on the top and bottom of the chip remain completely or at least largely available for the monolithic integration of other sensors, actuators and electronic circuits.
  • the illustrations here relate essentially to the use of this principle.
  • the invention is not limited to this, but can generally be used for all MEMS loudspeakers and MEMS microphones in which the sound generation or processing takes place in the interior of a chip volume.
  • FIG. 19b shows an advantageous use of the adaptation layer from FIG. 19a.
  • the adaptation layer can be embodied as a semiconductor layer, that is to say comprising semiconductor materials, such as silicon or gallium arsenide.
  • the adaptation layer 27 may have the first electronic structure 31a with the first spacing grid 33a.
  • the adaptation layer 27 may have the second electronic structure 31b with a second spacing grid 33b.
  • the first and the second electronic structure 31 a and 31 b are electrically connected to each other, so that a contacting of an electrical circuit, such as the circuit 17 on one of the sides 29 a or 29 b, a conversion of the spacing grid 33 a or 33 b on the other spacing grid 33 b or 33a allows.
  • the adaptation layer 27 may be arranged in a MEMS layer stack, such as in a MEMS converter described herein.
  • the MEMS layer stack may include a circuit layer 45 having an electronic circuit, such as the electronic circuit 17, having one of the pitch grids 33a or 33b.
  • the layer 45 may be, for example, the layer 32b or another layer with an electronic circuit.
  • the electronic circuit 17 can thus be electrically connected to the first or second electronic structure 31 a or 31 b, so that electrical circuit 17 can be contacted via the other layer main side 29 b and therefore with a different spacing grid, for which reason the layer 29 also acts as an interposer can be used.
  • a layer stack connected to the adaptation layer 27 may be a layer stack described herein in the absence of the electronic controller 17.
  • the layer stack can be connected to the layer stack by means of the adaptation layer 27 so as to carry out an evaluation and / or control of the deformable elements. If, for example, the MEMS converter 20 is considered, instead of the electronic circuit, the electronic structure for connection to the electronic circuit could also be arranged, which means that the layer 32b could be formed as an adaptation layer.
  • a MEMS layer stack may form a MEMS transducer for interacting with the volume flow 12 of a fluid and include: the substrate 14 having a layer stack with a plurality of layers 32a-b, 34a-b, 36 forming a plurality of substrate planes and having a cavity 16 in the layer stack; an electromechanical transducer 18; 18a-f connected to the substrate 14 in the cavity (16) and an element 22 deformable in at least one plane of movement of the plurality of substrate planes; 22a-f; 30; 40; 150; 160, wherein a deformation of the deformable element 22; 22a-f; 30; 40; 150; 160 in the plane of motion and the volume flow 12 of the fluid are causally related;
  • the electronic circuit 17 is connected via the semiconductor layer with the electromechanical transducer 18; 18a-f connected.
  • the electronic circuit 17 is configured to convert between a deformation of the deformable element 22; 22a-f; 30; 40; 150; 160 and provide an electrical signal.
  • a method of providing a semiconductor layer 27 comprises arranging a first electronic structure 31 a on a first layer main side 29 a of the semiconductor layer 27, such that the first electronic structure 31 a is a first spacing grid 33 a having.
  • the method further comprises arranging a second electronic structure 31 b on a second, opposite layer main side 29 b of the semiconductor layer 27 so that it has a second spacing grid 33 b.
  • the method comprises connecting the first and second electrical structures 31 a and 31 b with each other.
  • FIG. 20 shows a schematic block diagram of a MEMS system 200 having the EMS converter 80 connected to a controller 128 configured to process the signals to be provided to the MEMS converter 80 and / or that of the MEMS converter 80 MEMS converter to receive received signals.
  • the electronic circuit may drive the electrodynamic transducer of the MEMS device 80 and / or receive electrical signals from the electrodynamic transducers of the MEMS device 80.
  • Information as to how an appropriate control has to take place and / or an evaluation can be made in the control device 128.
  • the controller 128 may be configured to provide information to the plurality of electromechanical transducers, such as a common electronic circuit and / or individual electronic circuits, such that a first and an adjacent second electromechanical transducer during a first time interval, at least locally move towards each other.
  • the controller 128 may be configured to drive the at least one electronic circuit of a plurality of electromechanical transducers such that the first electromechanical transducer and a third electro-mechanical transducer disposed adjacent to the first electro-mechanical transducer interfere during a second interval. the move, the first electromechanical transducer can be arranged between the second and the third electromechanical transducer.
  • the controller 128 may be configured to receive and evaluate an electrical signal based on deformation of the deformable element from the electronic circuit.
  • the controller 128 may be configured to determine a frequency or amplitude of deformation.
  • the system 200 can be operated as a sensor and / or actuator.
  • the system 200 may be operated as a MEMS loudspeaker, where the volumetric flow 12 may be an acoustic sound wave or a supersonic sound wave.
  • the system 200 may be implemented as a MEMS pump.
  • a cavity of the substrate may have a first opening 26 and a second opening 26 in the substrate 14.
  • the electromechanical transducer 18 may be configured to provide the volumetric flow 12 based on the fluid.
  • the electromechanical transducer may be configured to move the fluid in a direction of the cavity based on actuation of the electromechanical transducer 18 through the first opening 26 or to move the fluid based on the actuation through the second opening in a direction away from the cavity to transport.
  • the system 200 may be operated as a MEMS microphone, wherein based on the deformation of the deformable member, an electrical signal may be obtainable at a terminal of the electro-mechanical transducer 80 or other connected electromechanical transducer. Based on the volume flow 12, the deformation of the deformable element can be effected.
  • MEMS transducers described herein may be embodied as a MEMS valve or MEMS dosing system.
  • a MEMS dosing system can be used, for example, for implantable medication and / or insulin pumps.
  • MEMS converter 80 another MEMS converter may be arranged, such as the MEMS converters 10, 20, 50, 100, 110, 170, 180 , 180 ', 230 and / or 240.
  • MEMS converters a plurality of MEMS converters according to embodiments described above may be arranged.
  • a stack of MEMS converters may be arranged MEMS transducers, such as the stack 90 or 140.
  • at least two MEMS transducers may be arranged.
  • At least one first MEMS converter and a second MEMS converter may have cavities or partial cavities and / or electromechanical transducers with mutually different resonance frequencies, for example a chamber with 500 Hz actuators, a further chamber or a further (partial) cavity 2 kHz actuators, etc.).
  • the above-explained MEMS converters can be used in devices.
  • An example of such a device 210 according to an exemplary embodiment is shown in FIG 21 a shown.
  • the device 210 includes, for example, the MEMS transducer 10, but may alternatively or additionally include another MEMS transducer 20, 50, 100, 110, 170, 80, 180 ', 230, and / or 240 described herein.
  • the MEMS Wandier is formed, for example as a MEMS speaker for generating an acoustic fluid flow 12 in the form of sound waves, the device 210 is designed as a mobile music playback device or headphones.
  • FIG. 21 b shows a schematic block diagram of a system 215 according to an exemplary embodiment, which, for example, may include the device 210.
  • the MEMS Wandier 10 and / or another arranged MEMS Wandier can be designed as a speaker and be designed to reproduce an output signal 39 to reproduce an acoustic signal in the form of the Fiuidstroms 12.
  • the output signal may be an analog or digital signal having acoustic information, such as voice information.
  • the system 215 can be designed, for example, as a universal translator and / or as a navigation assistance system both for indoor applications (inside buildings) and outdoor applications (outside buildings).
  • the system 215 further components, such as a microphone and / or a device for determining position and a computing unit, such as a CPU.
  • the microphone may also be formed as a MEMS transducer described herein.
  • the arithmetic unit may be configured to convert a speech content in a first language detected by the microphone into a second speech to provide the second speech output signal 39.
  • the arithmetic unit may be configured to provide, based on a particular position, the output signal 39 having speech information regarding the detected position, which may then be reproduced by the MEMS transducer 10.
  • FIG. 22 shows a schematic representation of a health assistance system 220 according to one exemplary embodiment.
  • the health assistance system 220 comprises a sensor device 35 for detecting a vital function of a body 37 and for outputting a sensor signal 39 based on the detected vital function.
  • the health assistance system 220 comprises a processing device 41 for processing the sensor signal 39 and for providing an output signal based on the processing.
  • the health assistance system 220 includes a headset, such as the device 200, including a MEMS wander according to any of the embodiments described herein.
  • the MEMS Wandier is designed as a speaker and includes a wireless communication interface for receiving the output signal 43.
  • the speaker 200 is configured to reproduce an acoustic signal based on the output signal 43.
  • Benefits offers a realization of the speaker as headphones, especially as in-ear headphones.
  • the monitored vital function can be announced to the user, such as a pulse during exercise. It is also possible that a value derived from the vital function is output, such as the overshoot or undershoot of a threshold value or the like.
  • FIG. 23 shows a schematic plan view of a MEMS converter 230 which has a multiplicity of electromechanical converters 18a to 18s, wherein the electromechanical converters 18a to 18f are laterally offset from one another laterally in a first cavity 16a and the electromechanical converters 18g to 18i are laterally juxtaposed offset from each other in a second cavity 16b are arranged.
  • the cavities 16a and 16b may have an opening in a bottom and / or top surface of the substrate 14, not shown.
  • the MEMS converter 230 can be used as a loudspeaker and / or microphone, which applies to individual electromechanical transducers 18a to 18s as well as to the electromechanical transducers 18a to 18f or 18g to 18i of a respective cavity 16a and 16b.
  • the speakers and / or microphones can also be designed so that it is optimized for the delivery or recording of sound waves via vibrations.
  • it may be placed with the human body, ideally close to a bone, to transmit or record information by means of structure-borne noise.
  • a preferred variant is that in which all the actuators move in the same direction, that is, independent of an approach that a chamber has two movable walls.
  • the electromechanical transducers 18a to 18i comprise cantilevered beam elements.
  • the MEMS converter 230 includes the electronic circuit 1 7, not shown.
  • FIG. 24 is a schematic plan view of a MEMS converter 240 having a plurality of electromechanical transducers 18a to 18i, the electromechanical transducers 18a to 18i Transducers 18a to 18f laterally offset from each other are arranged side by side and each adjacent cavities 16a to 16k or part cavities spaced from each other.
  • the electromechanical transducers 18a to 8i comprise cantilevered beam elements.
  • the EMS converter 240 includes the electronic circuit 17, not shown.
  • FIGS. 23 and 24 are illustrated such that the MEMS converter 230 has exclusively bar elements clamped on one side and the MEMS : converter 240 has bar elements clamped on both sides only, the embodiments can also be combined with one another as desired, so that each cavity 16a or 16b independently of each other similar electromechanical transducers or within a cavity various electromechanical transducers can be arranged.
  • Fig. 24 shows a same principle as in Fig. 23, but this time used both sides clamped bending actuators.
  • the method includes providing a substrate comprising a layer stack having a plurality of layers forming a plurality of substrate planes and having a cavity in the layer stack.
  • the method comprises generating an electromechanical transducer in the substrate so that it is connected to the substrate in the cavity and has a deformable in at least one plane of movement of the plurality of substrate planes element, wherein a deformation of the deformable element in the plane of motion and the Volume flow of the fluid causally related.
  • the method includes placing an electronic circuit in a layer of the layer stack so that the electronic circuit is connected to the electromechanical transducer and configured to provide a conversion between deformation of the deformable element and an electrical signal.
  • volumetric flow being producible by moving two electromechanical transducers toward each other
  • the volumetric flow can also be obtained based or in causal interaction with movement of an electromechanical transducer relative to a rigid structure such as the substrate. That means a volume of one Partial cavity or a sectionkavticiansabitess may be influenced by a single electromechanical transducer.
  • Previously described embodiments having a deformable member configured to perform a multiple curvature and / or connected to a plate member may be useful as compared to the configuration described in connection with FIG in order to generate a significantly higher volume flow or to react more sensitively to a volume flow.
  • Embodiments make it possible to make the frequency-dependent progression of the sound pressure flexibly adjustable, in order in particular to enable the frequently desired case of a flat frequency response as possible.
  • the quality of the oscillating bending beam is low, d. H. the bending beams have a broad resonance curve.
  • the clamping of the beams can be carried out so that by means of a damping material, the beam vibration is additionally attenuated.
  • the clamping of the beam is preferably made of a non-crystalline material. These include silica, polymers, such as. B. SU8 or other resists.
  • An attenuation of the bar oscillation can also be achieved electrically.
  • a periodically alternating current flows when the voltage is present.
  • electrical resistances creates a power loss, which leads to the damping of the vibration.
  • a complete electrical resonant circuit i.e., an integrated or external coil is additionally provided
  • Damping can also be achieved by implementing additional structures on the bending beams which provide a significant flow resistance for the fluid as it flows in and out of the chamber.
  • each chamber may be provided with an inlet or outlet through which a fluid, such as air, may flow in and out.
  • the chambers may be closed by a fixed lid along a direction perpendicular to the lateral direction of movement (eg, top and bottom).
  • At least one of the lateral walls of each chamber is designed to be movable or deformable and can be displaced by an actuator in such a way that the volume of this chamber is reduced or increased.
  • MEMS Wandiern may have electrical connections see, bond pads or the like, which are not shown in the figures for clarity.
  • Embodiments described above relate to reusable loudspeakers or N-way loudspeakers which can be obtained based on different resonance frequencies of at least two cavities or partial cavities.
  • SPL sound pressure level
  • f frequency
  • the function may be nonlinear, such as quadratic, exponential, or based on a root function.
  • the functional relationship can be easily transferred to different partial cavities or cavities arranged in different MEMS transducers.
  • the frequency of the volumetric flow can describe a frequency-dependent course of a pressure in the fluid.
  • the silicon chips of the MEMS andler can be designed and so out of the disk composite, which is obtained during a wafer-level manufacturing, be dissolved out that they have an adapted form for each application. So the chip z. B. for use as speakers in hearing aids or in-ear headphones, for example, round or, which is more suitable for the consumption of silicon surface on the disc, hexagonal design.
  • the technical design of the monolithic integration of microelectronic components or microsystems on the surface and lower surface of a MEMS loudspeaker, which uses the chip volume for sound generation, can be supplemented by several aspects.
  • the microelectronic components, such as the MEMS structures, can be integrated into one or more layers.
  • the electronic control or evaluation circuit, ie the electronic circuit 17, may comprise a digital-to-analog converter and / or a PWM generator.
  • a signal conditioning can be done for example by digital signal processing, which may be part of the electronic circuit 17.
  • the electronic circuit 17 may further comprise clocks and / or oscillators, may comprise a high-voltage generation, ie a DC / DC converter, a charge pump or a boost converter, a decoder, such as for digital audio signals such as the "sound wire" standard or a Furthermore, the electronic circuit may comprise an amplifier or a current bank
  • the electronic circuit 17 may comprise a processor, such as a CPU, which may be used for example for text-to-speech or speech-to-text algorithms.
  • the electronic circuit 17 may comprise a semiconductor memory such as a RAM or a flash memory
  • the MEMS converters may comprise MEMS sensors such as acceleration sensors, temperature sensors, rotation rate sensors, position sensors or magnetic field sensors which are part of the electronic circuit 7 or more Circuit components can be controlled or read R moisture sensors or gas sensors are provided.
  • radio interfaces and / or wireless interfaces for near field communication such as a Bluetooth interface.
  • a mobile radio interface for example for LTE and / or eSIM (embedded SIM), is provided for a machine-machine interface such as iBeacon or physical web.
  • a receiver for global navigation satellite systems such as GBS can be integrated.
  • the MEMS converters may be embodied as MEMS microphones and / or MEMS loudspeakers or the like.
  • the MEMS converters enable a system function, ie a combination with other functions or applications. These include, for example, MP3 players, signage technology, streaming, headset, walkie talkie and the like. Also, an application in hearing aids is possible.
  • Health assistance systems such as fitness trackers that allow for recording, comparison, optimization and / or announcement of vital signs, including step count, body temperature, respiratory rate, and / or energy consumption are also conceivable.
  • Systems may also relate to navigation assistance systems, for example, in public space and / or within buildings via speech-to-text and / or text-to-speech technologies or enable algorithms support.
  • This may, for example, refer to a specific group of persons, such as the blind, and / or to certain buildings, such as public buildings, military buildings, police buildings or fire-brigade buildings.
  • embodiments described herein may be used, for example, to control communication and devices by gestures and speech.
  • a human-machine interface can be provided via speech-to-text and / or text-to-speech technologies and / or algorithms.
  • applications in the university translation are conceivable, for example, for a simultaneous translation in the language area.
  • Virtual reality applications are also implementable, such as a purely acoustic virtual reality, such as for blind people, a supporting visual virtual reality, also referred to as augmented reality, an audible internet, audible social networks, etc.
  • security-relevant logins for example for an audible Internet and a human-machine communication
  • a recognition of safety-critical acoustic events for example a call for help
  • MEMS microphones that record acoustic signals

Abstract

The invention relates to a MEMS converter for interaction with a volume flow rate of a fluid, the MEMS converter comprising a substrate which has a layer stack with a plurality of layers forming a plurality of substrate planes, and which has a cavity in the layer stack. The MEMS converter comprises an electromechanical converter which is connected to the substrate in the cavity and has an element which can be deformed in at least one plane of movement of the plurality of substrate planes, wherein a deformation of the deformable element in the plane of movement and the volume flow rate of the fluid are causally related. The MEMS converter comprises an electronic circuit which is located in a layer of the layer stack, wherein the electronic circuit is connected to the electromechanical converter and is designed to provide a conversion between a deformation of the deformable element and an electric signal.

Description

MEMS-Wandler zum Interagieren mit einem Volumenstrom eines Fluids und Verfahren zum Herstellen desselben Beschreibung  MEMS converter for interacting with a volumetric flow of a fluid and method for producing the same description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen MEMS-Wandler zum Interagieren mit einem Volumenstrom eines Fluids, wie etwa einen MEMS-Lautsprecher, ein MEMS- Mikrophon oder eine MEMS-Pumpe und insbesondere MEMS-Wandler mit einer integrierten elektronischen Schaltung. Die vorliegende Erfindung bezieht sich ferner auf eine Vorrichtung mit einem derartigem MEMS-Wandler und auf ein Verfahren zum Herstellen eines MEMS-Wandlers. Ferner bezieht sich die vorliegende Erfindung auf MEMS-CMOS (komplementäre Metailoxid-Halbleiter) Lautsprechersysteme auf einem Chip. The present invention relates to a MEMS converter for interacting with a volumetric flow of a fluid, such as a MEMS loudspeaker, a MEMS microphone or a MEMS pump, and in particular MEMS transducers with an integrated electronic circuit. The present invention further relates to a device having such a MEMS converter and to a method for manufacturing a MEMS converter. Further, the present invention relates to MEMS-CMOS (complementary metal oxide semiconductor) loudspeaker systems on a chip.
Ein Fokus der MEMS-Technologie (MEMS = mikroelektromechanisches System) liegt neben der Miniaturisierbarkeit insbesondere im Potential der kostengünstigen Fertigbar- keit der Komponente bei mittleren und hohen Stückzahlen. Elektroakustische MEMS- Lautsprecher sind derzeit in unbedeutendem Maße kommerzialisiert. Mit wenigen Aus- nahmen bestehen MEMS-Lautsprecher aus einer Membran, welche durch ein ausgewähltes physikalisches Wirkprinzip quasistatisch oder resonant ausgelenkt wird. Die Auslenkung hängt dabei linear oder nicht-linear von dem angelegten elektrischen Signal ab (Strom oder Spannung). Das Signal weist eine zeitliche Variation auf, welche in eine zeitliche Variation der Membranauslenkung übertragen wird. Die Hin- und Her-Bewegung der Membran überträgt sich in Form von Schall in das umgebende Fluid, für das im Folgenden vereinfachend aber nicht einschränkend Luft angenommen werden kann. in manchen Fällen erfolgt die Aktuation der Membran nur in eine Richtung. Die Rückstellkraft wird dann durch die mechanische Federwirkung bei Membranauslenkung zur Verfü- gung gestellt. In anderen Fällen erfolgt die Aktuation in beide Richtungen, so dass die Membran eine sehr geringe Steifigkeit aufweisen kann. One focus of MEMS technology (MEMS = microelectromechanical system), in addition to its miniaturizability, is the potential for cost-effective manufacturability of the component in medium and high volumes. Electroacoustic MEMS loudspeakers are currently being insignificantly commercialized. With a few exceptions, MEMS loudspeakers consist of a diaphragm, which is deflected quasi-statically or resonantly by a selected physical action principle. The deflection depends linearly or non-linearly on the applied electrical signal (current or voltage). The signal has a temporal variation, which is transmitted in a temporal variation of the diaphragm deflection. The reciprocating motion of the membrane is transmitted in the form of sound in the surrounding fluid, for the sake of simplifying but not limiting air can be assumed in the following. In some cases, the actuation of the membrane takes place in one direction only. The restoring force is then provided by the mechanical spring effect with diaphragm deflection. In other cases, the actuation takes place in both directions, so that the membrane can have a very low rigidity.
Zur Aktuation der Membran ist der Einsatz elektrostatischer, piezoelektrischer, elektromagnetischer, elektrodynamischer und magnetostriktiver Wirkprinzipien beschrieben. Ein Überblick zu MEMS-Schallwandlern, die auf diesen Prinzipien basieren, findet sich beispielsweise in [1 ]. Elektrostatisch betriebene Wandler basieren auf der Kraft, die sich zwischen zwei mit unterschiedlichem elektrischem Potential belegten flächenhaften Elektroden ergeben. Im einfachsten Fall entspricht die Anordnung einem Plattenkondensator, wobei eine der bei- den Platten beweglich aufgehängt ist. In der praktischen Umsetzung wird die bewegliche Elektrode als Membran ausgeführt, um einen akustischen Kurzschluss zu vermeiden. Bei einem Anlegen einer Spannung verwölbt sich die Membran in Richtung der Gegenelektrode. Bei einem speziellen Ausführungsbeispiel wird die Membran im sogenannten Berührungsmodus (engl.: touch-mode) betrieben. Hierbei berührt die Membran die untere Elekt- rode, auf die zur Vermeidung eines Kurschlusses eine dünne Isolatorschicht aufgebracht ist, wie es beispielsweise in [2] beschrieben ist. Die Auflagefläche wird dabei durch die Größe der anliegenden elektrischen Spannung bestimmt und variiert damit zeitlich gemäß dem zeitlichen Verlauf dieser Spannung. Die so erzeugbare Oszillation dient der Schallerzeugung. Prinzipiell kann beim klassischen elektrostatischen Aufbau die Membran nur in Richtung der Elektrode angezogen werden. Die Rückstellkraft kann durch die Steifigkeit der Membran zumindest teilweise bestimmt und muss genügend hoch sein, um auch die höheren Frequenzen im Hörschallbereich übertragen zu können. For the actuation of the membrane, the use of electrostatic, piezoelectric, electromagnetic, electrodynamic and magnetostrictive action principles is described. An overview of MEMS transducers based on these principles can be found, for example, in [1]. Electrostatically operated converters are based on the force which results between two planar electrodes covered with different electrical potential. In the simplest case, the arrangement corresponds to a plate capacitor, wherein one of the two plates is movably suspended. In practice, the movable electrode is designed as a membrane to avoid an acoustic short circuit. When a voltage is applied, the membrane warps in the direction of the counterelectrode. In a specific embodiment, the membrane is operated in the so-called touch-mode. In this case, the membrane touches the lower electrode to which a thin insulator layer is applied to avoid a short circuit, as described, for example, in [2]. The bearing surface is determined by the size of the applied electrical voltage and thus varies in time according to the time course of this voltage. The oscillation thus generated serves to generate sound. In principle, in the classical electrostatic structure, the membrane can be attracted only in the direction of the electrode. The restoring force can be determined at least in part by the rigidity of the membrane and must be sufficiently high in order to be able to transmit the higher frequencies in the area of auditory sound.
Anderseits kann bei gegebener elektrischer Spannung die Auslenkung der Membran mit zunehmender Steifigkeit sinken. Zur Vermeidung dieses Problems wurde ein Ansatz mit einer sehr weichen Membran entwickelt, welche dann durch eine obere und untere Elektrode angesteuert und somit in beide Richtungen ausgelenkt werden kann, wie es in [3] beschrieben ist. Dieser Lautsprecher verwendet insgesamt zwei solcher Membranen, die im Inneren einer Kavität aufgehängt sind, welche wie bei einer Mikropumpe über einen Einlass und einen Auslass verfügt und ansonsten geschlossen ist. On the other hand, with a given electrical voltage, the deflection of the membrane can decrease with increasing rigidity. To avoid this problem, an approach with a very soft membrane was developed, which can then be driven by an upper and lower electrode and thus deflected in both directions, as described in [3]. This loudspeaker uses a total of two such diaphragms suspended inside a cavity which, like a micropump, has an inlet and an outlet and is otherwise closed.
Piezoelektrisch betriebene Wandler nutzen den inversen piezoelektrischen Effekt. Eine anliegende elektrische Spannung führt zu einer mechanischen Spannung in einem Festkörper. In MEMS-Technologie werden typischerweise Materialien wie PZT (Blei-Zirkonat- Titanat), AIN (Aluminiumnitrid) oder ZnO (Zinkoxid) eingesetzt. Diese Materialien werden üblicherweise als Funktionsschicht auf eine Membran aufgebracht und so strukturiert, dass die Membran abhängig von der elektrischen Spannung, die an der Funktionsschicht anliegt, ausgelenkt bzw. zum Schwingen angeregt werden kann. Nachteilig bei piezoelektrischen Funktionsschichten wirkt sich die Tatsache aus, dass der Betrieb nicht hyste- resefrei erfolgen kann. Außerdem ist die Integration der keramischen Funktionsschichten komplex und aufgrund der nicht vorhandenen CMOS-Kompatibilität (CMOS = comple- mentary metal oxide semiconductor, komplementärer Metalloxidhalbleiter) bei PZT und ZnO nur unter strenger Kontaminationskontrolle oder gleich in einem separaten Reinraumbereich möglich. Elektromagnetisch betriebene Wandler beruhen auf der Kraftwirkung, die ein weichmagnetisches Material in einem ortsveränderlichen Magnetfeld (Gradient) erfährt. Für die Umsetzung des Prinzips wird neben dem weichmagnetischen Material ein Permanentmagnet und eine Spule benötigt, mittels derer der Ortsgradient des Magnetfeldes via Stromfluss zeitlich gesteuert werden kann. Das weichmagnetische Material wird beispielsweise in die Membran integriert. Alle anderen Komponenten werden in der Assemblierung zur Verfügung gestellt, wie es beispielsweise in [4] beschrieben ist. Der Aufbau ist voluminös, komplex und erscheint nicht sinnvoll für hohe Stückzahlen skalierbar zu sein. Piezoelectric powered converters use the inverse piezoelectric effect. An applied electrical voltage leads to a mechanical stress in a solid. In MEMS technology typically materials such as PZT (lead zirconate titanate), AIN (aluminum nitride) or ZnO (zinc oxide) are used. These materials are usually applied as a functional layer on a membrane and structured so that the membrane depending on the electrical voltage applied to the functional layer, can be deflected or excited to vibrate. A disadvantage of piezoelectric functional layers is the fact that the operation can not be done without hysteresis. In addition, the integration of the ceramic functional layers is complex and due to the lack of CMOS compatibility (CMOS = comple- mentary metal oxide semiconductor, complementary metal oxide semiconductor) in PZT and ZnO only under strict contamination control or equal in a separate clean room area possible. Electromagnetically operated transducers are based on the force effect that a soft magnetic material undergoes in a spatially variable magnetic field (gradient). For the implementation of the principle, a permanent magnet and a coil is required in addition to the soft magnetic material, by means of which the local gradient of the magnetic field via current flow can be controlled in time. The soft magnetic material is integrated, for example, in the membrane. All other components are provided in the assembly, as described for example in [4]. The structure is voluminous, complex and does not seem to make sense to scale for high volumes.
Elektrodynamisch betriebene Wandler machen von der Lorentz-Kraft Gebrauch. Dieses bei makroskopischen Lautsprechern sehr weitverbreitete Verfahren ist auch bei einigen MEMS-Lautsprechern eingesetzt worden. Das Magnetfeld wird durch einen Permanentmagneten erzeugt. Im Magnetfeld wird eine stromdurchflossene Spule platziert. Üblicherweise wird die Spule durch Abscheidung und Strukturierung einer Metallschicht in die Membran integriert und der Permanentmagnet in der Assemblierung als externe Kompo- nente zugefügt. Die Komplexität und die Einschränkungen bezüglich der Integration aller Komponenten in MEMS-Technologie stellen einen ähnlich großen Nachteil dar, wie bei den elektromagnetisch betriebenen Wandlern. Electrodynamically operated converters make use of the Lorentz force. This method, which is very widespread in macroscopic loudspeakers, has also been used in some MEMS loudspeakers. The magnetic field is generated by a permanent magnet. A current-carrying coil is placed in the magnetic field. Usually, the coil is integrated into the membrane by deposition and structuring of a metal layer and the permanent magnet is added as an external component in the assembly. The complexity and limitations of integrating all components into MEMS technology are a similar drawback as with electromagnetically driven transducers.
Magnetostriktiv betriebene Wandler beruhen auf einer Kontraktion oder Expansion einer Funktionsschicht bei anliegendem Magnetfeld. Bspw. ist Vanadium Permadur positiv magnetostriktiv, d. h., weist eine Expansion bei anliegendem Magnetfeld auf. Diese Kontraktion kann bei geeignetem Aufbau zur Erzeugung einer Membranschwingung genutzt werden. In [1 ] wurde als magnetostriktive Funktionsschicht Vanadium Permendur (Fe49Co49V2) eingesetzt, das über eine Chrom-Haftschicht auf Si02 (Siliziumdioxid) abge- schieden wurde. Das externe Magnetfeld wird über eine Mikroflachspule zur Verfügung gestellt, welche durch galvanisch abgeschiedenes Kupfer realisiert wurde. Bezüglich Komplexität und Einschränkungen bei der Integration sind ähnliche Nachteile anzuführen, wie bei den beiden vorgenannten Wirkprinzipien. Die vorangehend beschriebenen klassischen und am weitesten verbreiteten Varianten, die als gemeinsames Merkmal die Verwendung einer Membran haben, welche zu einer Schwingung angeregt werden kann, wird nachfolgend durch bestimmte Abwandlungen, die aufgrund spezieller Nachteile des klassischen Membranprinzips untersucht wurden, ergänzt. Flexible Membranen können auch höhere Moden im Hörschallbereich aufweisen und somit zu parasitären Schwingungen führen, was die akustische Qualität senkt (Klirrfaktor), vgl. [1]. Zur Vermeidung bzw. Verringerung dieses Effektes werden daher Platten eingesetzt, welche eine deutlich höhere Steifigkeit aufweisen. Eine solche Platte wird über eine sehr weiche Aufhängung, die auch den akustischen Kurzschluss vermeiden soll, mit dem Chip verbunden, siehe hierzu [5]. Magnetostrictively operated converters are based on a contraction or expansion of a functional layer when the magnetic field is applied. For example. For example, vanadium permadur is positively magnetostrictive, that is, exhibits expansion when the magnetic field is applied. This contraction can be used with a suitable structure for generating a membrane vibration. In [1], vanadium permendur (Fe 49 Co 49 V 2 ) was used as the magnetostrictive functional layer, which was deposited on Si0 2 (silicon dioxide) via a chromium adhesive layer. The external magnetic field is provided by a microflake coil realized by electrodeposited copper. Concerning complexity and restrictions in the integration similar disadvantages are to be mentioned, as with the two aforementioned active principles. The classic and most widely used variants described above, which have as a common feature the use of a membrane which leads to a Oscillation can be excited, is subsequently supplemented by certain modifications, which were examined due to special disadvantages of the classical membrane principle. Flexible membranes can also have higher modes in the field of audible sound and thus lead to parasitic vibrations, which lowers the acoustic quality (harmonic distortion), cf. [1]. To avoid or reduce this effect, therefore, plates are used which have a significantly higher rigidity. Such a plate is connected via a very soft suspension, which should also avoid the acoustic short circuit, connected to the chip, see [5].
Eine weitere Abwandlung stellt eine segmentierte Membran dar, die bei den oben beschriebenen magnetostriktiven Wandlern eingesetzt wurde. Dies entspricht einer speziellen topographischen Lösung für das Problem, dass sich die Funktionsschicht in zwei Rich- tungen kontrahiert oder expandiert. Konkret besteht der Aufbau aus mehreren auslenkbaren Biegebalken. Nach [1 ] kann die Anordnung für Abstände der Balken kleiner oder gleich 3 pm als akustisch geschlossen angesehen werden. Durch entsprechende Dimensionierung der einzelnen Balken bezüglich einer Resonanzfrequenz und der Abstände zwischen den Balken kann eine vergleichsweise hohe akustische Bandbreite erreicht werden und der Verlauf des Schallpegels als Funktion der Schwingungsfrequenz ange- passt bzw. optimiert werden. Another variation is a segmented membrane used in the magnetostrictive transducers described above. This corresponds to a special topographical solution to the problem that the functional layer contracts or expands in two directions. Specifically, the structure consists of several deflectable bending beam. According to [1], the arrangement for distances of the bars less than or equal to 3 pm can be regarded as acoustically closed. By appropriate dimensioning of the individual beams with respect to a resonance frequency and the distances between the beams, a comparatively high acoustic bandwidth can be achieved and the course of the sound level can be adjusted or optimized as a function of the vibration frequency.
Neumann et al. verfolgen in [6] den Ansatz, statt einer einzelnen, großen Membran eine Vielzahl kleiner Teilmembranen zu verwenden. Jede Teiimembran hat eine so hohe Re- sonanzfrequenz, dass im Hörschallbereich eine quasistatische Auslenkung erfolgen kann. Damit wird insbesondere ein digitaler Betrieb des Lautsprechers ermöglicht. Neumann et al. pursue in [6] the approach to use instead of a single, large membrane a variety of small sub-membranes. Each partial membrane has such a high resonance frequency that a quasi-static deflection can take place in the area of the audiophile sound. This allows in particular a digital operation of the speaker.
Zusammenfassend lässt sich schiussfolgern, dass bezüglich Integration bekannte elektrostatisch betriebene Membranlautsprecher verhältnismäßig geringe Auslenkungen aufwei- sen, wenn moderate Antriebsspannungen vorausgesetzt werden. Als Referenz kann beispielsweise der elektrostatische Membranlautsprecher von Kim et al. gemäß [3] dienen. Jede der beiden Membranen hat eine Fläche von 2 x 2 mm2. In einem Abstand von jeweils 7,5 pm ist die obere bzw. untere Elektrode angebracht. Je nach Geometrie der Membran und der Zunahme der Membransteifigkeit mit wachsender Auslenkung wird die Auslenkung aufgrund des sogenannten Pull-In-Effekts auf typischerweise 1 /3 bis 1/2 des Elektrodenabstands beschränkt. Wird der höhere Wert von 1 /2 angenommen, ergibt sich für die Auslenkung 7,5 pm / 2, und zwar einmal in die eine und einmal in die andere Richtung. Das verdrängte Volumen lässt sich abschätzen, indem davon ausgegangen wird, dass es dem Volumen einer ausgelenkten steifen Platte mit einer Auslenkung der halben Maximalauslenkung der Membran entspricht. Dafür ergibt sich beispielsweise: In summary, it can be concluded that known electrostatically operated membrane loudspeakers have relatively low deflections with regard to integration if moderate drive voltages are assumed. As a reference, for example, the electrostatic membrane speaker of Kim et al. serve according to [3]. Each of the two membranes has an area of 2 x 2 mm 2 . At a distance of 7.5 pm each, the upper and lower electrodes are attached. Depending on the geometry of the membrane and the increase in membrane stiffness with increasing deflection, the deflection due to the so-called pull-in effect is limited to typically 1/3 to 1/2 of the electrode spacing. If the higher value of 1/2 is assumed, the result is for the deflection 7.5 pm / 2, once in one direction and once in the other direction. The displaced volume can be estimated by assuming that it corresponds to the volume of a deflected rigid plate with a deflection of half the maximum deflection of the membrane. For example:
AV « (2 x 2 mm2) x 50 % * (2 x 7.5 pm) / 2 = 15 x 10"3 mm3 (Gig. 1 ) bzw. AV / aktive Fläche = ,\V / A = ,: / 4 mm2 = 3.75 x 10 3 mm (Gig. 2) AV «(2 x 2 mm 2 ) x 50% * (2 x 7.5 pm) / 2 = 15 x 10 " 3 mm 3 (Gig 1) or AV / Active Area =, \ V / A =,: / 4 mm 2 = 3.75 x 10 3 mm (gig 2)
Ein generelles Problem bei der Herstellung von miniaturisierten Membran-Lautsprechern ist es, einen flachen Verlauf des Schalldrucks als Funktion der Frequenz zu erreichen. Der erreichbare Schalldruck ist proportional zur Strahlungsimpedanz und der Geschwin- digkeit der Membran. Im Makroskopischen ist der Membrandurchmesser vergleichbar mit der akustischen Wellenlänge. Hier gilt, dass die Strahlungsimpedanz proportional zur Frequenz ist, vgl. [6]. Qualitativ hochwertige Lautsprecher werden häufig so entworfen, dass die Resonanz f0 unterhalb des Hörschallbereichs liegt (für Mehrwegelautsprecher liegt die jeweilige Resonanzfrequenz unterhalb der unteren Kantenfrequenz des entspre- chenden elektrischen Filters). Für f » f0 ist die Geschwindigkeit der Membran damit proportional zu /f. Insgesamt ergibt sich dann für die Frequenzabhängigkeit des Schalldrucks p der Ausdruck p χ 1 . Es ergibt sich also in dieser (vereinfachten) Betrachtung ein vollständig flacher Verlauf der Schalldruckkurve. Sobald der Durchmesser der Schallquelle / der Membran viel kleiner ist als die zu erzeugende Schallwellenlänge, kann für die Strahlungsimpedanz eine quadratische Abhängigkeit von der Frequenz angenommen werden, wie es in [7] beschrieben ist. Dies ist für MEMS-Lautsprecher mit Membranen in der Größenordnung von Millimetern gegeben. Wird wie oben f » f0 angenommen, so ergibt sich für den Verlauf der Schalldruckkurve die Abhängigkeit p f. Niedrige Frequenzen werden im Verhältnis zu den hohen Frequenzen mit zu geringem Schalldruck wiedergegeben. Bei quasistatischem Betrieb ist die Membrangeschwindigkeit proportional zu f. Es ergibt sich dann für den Schalldruckverlauf die für niedrige Frequenzen noch ungünstigere Abhängigkeit p χ f3. Miniaturisierte multifunktionale Systeme für die Mensch-Computer— bzw. Mensch- Maschine- sind auf verschiedenen Integrationsstufen erhältlich. Stufe 1 : Leiterplatten-Hybridintegration A general problem in the manufacture of miniaturized membrane loudspeakers is to achieve a flat progression of the sound pressure as a function of the frequency. The achievable sound pressure is proportional to the radiation impedance and the velocity of the membrane. In macroscopic terms, the diameter of the membrane is comparable to the acoustic wavelength. Here it applies that the radiation impedance is proportional to the frequency, cf. [6]. High-quality loudspeakers are often designed in such a way that the resonance f 0 is below the audible sound range (for reusable loudspeakers the respective resonant frequency lies below the lower edge frequency of the corresponding electric filter). For f »f 0 the velocity of the membrane is proportional to / f. Overall, the expression p χ 1 then results for the frequency dependence of the sound pressure p. Thus, in this (simplified) consideration, a completely flat course of the sound pressure curve results. As soon as the diameter of the sound source / membrane is much smaller than the sound wave length to be generated, a radiation-impedance quadratic dependence on the frequency can be assumed, as described in [7]. This is true for MEMS speakers with membranes in the order of millimeters. If f 0 is assumed as above, then the dependence p f results for the course of the sound pressure curve. Low frequencies are reproduced in relation to the high frequencies with too low sound pressure. In quasi-static operation, the membrane velocity is proportional to f. The result for the sound pressure curve is the unfavorable dependence p χ f 3 for low frequencies. Miniaturized multifunctional systems for the human-computer or human-machine are available at different levels of integration. Stage 1: PCB hybrid integration
Sensoren, Aktoren und elektronische Schaltkreise, die auf verschiedenen Substraten hergestellt wurden, werden auf einem gemeinsamen Verdrahtungsträger (hier: Leiterplatte) zusammengefasst.  Sensors, actuators and electronic circuits, which were manufactured on different substrates, are combined on a common wiring carrier (here: printed circuit board).
Stufe 2: System-In-Package Level 2: System-In-Package
Mindestens zwei Chips werden in einem speziellen Gehäuse zu einem System verbunden. Teilweise werden dafür auch Chip-auf-Chip-Bondungen eingesetzt. Oft werden auch Silizium-basierte Verdrahtungsträger verwendet (so genannte„interposer-Technologien").  At least two chips are connected in a special housing to form a system. In some cases, chip-on-chip bonds are also used. Often, silicon-based wiring substrates are also used (so-called "interposer technologies").
Stufe 3: Waferlevel-Hybridintegration und monolithische Integration Stage 3: Wafer level hybrid integration and monolithic integration
Sensoren, Aktoren und elektronische Schaltkreise, die teilweise auf unterschiedlichen Wafern hergestellt wurden, werden auf Waferebene miteinander verbunden. Die einzel- nen Chips des gebondeten Waferstapels werden aus dem Verbund durch entsprechende Vereinzelungsprozesse herausgelöst. Bei der monolithischen Integration sind Sensoren, Aktoren und elektronische Schaltkreise auf einem Wafer realisiert. In beiden Fällen ist die elektrische Verbindung der Elemente durch integrierte Leitbahnen oder Chip- Durchkontaktierungen („Through-Silicon-Vias", kurz: TSV) realisiert. Sensors, actuators, and electronic circuits, some of which are manufactured on different wafers, are interconnected at the wafer level. The individual chips of the bonded wafer stack are removed from the composite by means of appropriate singulation processes. In the monolithic integration sensors, actuators and electronic circuits are realized on a wafer. In both cases, the electrical connection of the elements by integrated interconnects or chip vias ("Through-Silicon Vias", short: TSV) realized.
Ein Beispiel eines weit fortgeschrittenen hybrid integrierten Sensor-Aktor-Systems (Stufe I) sind die sogenannten Hearables. In Form eines In-Ear-Kopfhörers werden dabei heute bereits folgende Komponenten untergebracht: Lautsprecher (feinmechanisch hergestellt), Akku, Speicherchip, CPU, Rot- und Infrarot— Sensoren, Temperatursensoren, Optischer Touch-Sensor, Mikrofone, 3-Achsen-Beschleunigungs-Sensor, 3-Achsen-Magnetfeld- Sensor und 3-Achsen-Lage-Sensor. Ein solcher„System-in-a-Package"-Ansatz wird heute für Hearables von Firmen wie z. B. Bragi („The Dash"), Samsung, Motorola und Sony eingesetzt. Ein Beispiel eines weit fortgeschrittenen System-in-Package Sensor-Systems (Stufe 2) sind sogenannte 9-Achsen-Sensoren. Hier sind z. B. 3-Achsen-Beschleunigungs-Sensor und 3-Achsen-Lage-Sensor auf einem, ein-3-Achsen-Magnetfeld-Sensor auf einem zweiten Silizium-Chip und eine elektronische Schaltung auf einem dritten Chip realisiert und in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht. Ein Anbieter eines solchen Systems ist z. B. die Firma InvenSense (MPU— 9150). Beispiele für monolithisch integrierte Sensor-Systeme sind ein- oder mehrachsige Gyroskope bzw. Beschleunigungssensoren, Drucksensoren und Magnetfeldsensoren, bei denen jeweils das Sensorelement und elektronische Funktionen in einem einzigen Chip realisiert sind. An example of a far advanced hybrid integrated sensor-actuator system (stage I) are the so-called Hearables. The following components are already housed in the form of an in-ear headphone today: Loudspeakers (manufactured by precision mechanics), rechargeable battery, memory chip, CPU, red and infrared sensors, temperature sensors, optical touch sensor, microphones, 3-axis accelerator Sensor, 3-axis magnetic field sensor and 3-axis position sensor. Such a "system-in-a-package" approach is now used for Hearables by companies such as Bragi ("The Dash"), Samsung, Motorola and Sony. An example of a far advanced system-in-package sensor system (Stage 2) are so-called 9-axis sensors. Here are z. B. 3-axis acceleration sensor and 3-axis position sensor on a, a 3-axis magnetic field sensor on a second silicon chip and an electronic circuit realized on a third chip and housed in a common housing , A provider of such a system is z. For example, the company InvenSense (MPU-9150). Examples of monolithically integrated sensor systems are single- or multi-axis gyroscopes or acceleration sensors, pressure sensors and magnetic field sensors in which the sensor element and electronic functions are implemented in a single chip.
Die monolithische Integration bietet hinsichtlich der Baugröße sehr große Vorteile. Während im Falle der Leiterp!atten-Hybridintegration für jedes Bauelement eine separates Gehäuse benötigt wird und beim System-in-Package ein verhältnismäßig großes Gehäuse vor allem bei Kombination mehrerer Einzelchips, entfällt dieser zusätzliche Platzbedarf bei der monolithischer Integration. Darüber hinaus sinken durch den Wegfall der komplexen, hybriden Aufbautechniken die Herstellungskosten gerade bei hohen Stückzahlen signifikant. The monolithic integration offers great advantages in terms of size. While in the case of Leiterp! Atten hybrid integration for each device a separate housing is required and the system-in-package a relatively large housing, especially when combining several individual chips, this eliminates the need for additional space in the monolithic integration. In addition, due to the elimination of the complex, hybrid construction techniques, the production costs drop significantly, especially at high quantities.
Im hier adressierten Fall miniaturisierter schallerzeugender (Mikrolautsprecher) oder schallaufnehmender (Mikrophon) MEMS-Komponenten ist die monolithische Integration mit Schaltkreisen oder anderen aktorischen oder sensorischen Elementen heute sehr stark eingeschränkt. Der Grund liegt zum einen in der Funktionsweise der MEMS- Mikrophone bzw. -Lautsprecher. Es wird in beiden Fällen eine verhältnismäßig große Membran benötigt, die in der Chipfläche gebildet wird. Die Chipfläche auf der Oberseite und Unterseite wird größtenteils für die bei der Bewegung der Membran entstehende Luftströmung benötigt. Es steht damit keine signifikante Chipfläche zur Verfügung, um weitere Funktionalitäten zu integrieren. Einer prinzipiell möglichen Vergrößerung der Chipoberfläche steht vor allem eine mit Chipfläche überproportional sinkende Ausbeute entgegen. Zum anderen sind die Herstellprozesse häufig nicht direkt kompatibel mit den Herstellprozessen der CMOS Schaltung, was die Komplexität des Gesamtprozesses erhöht. Aus diesen beiden Gründen werden daher heute bei den akustischen Komponenten weitere Funktionalitäten auf einem oder mehreren separaten Chips realisiert und das gesamte System über Hybridintegration/System-In-Package zusammengeführt. Gleichzeitig besteht ein Bedarf, einen möglichst geringen Bauraum von MEMS-Wandlern zu erhalten, um einen Einsatz in portablen Vorrichtungen, etwa in Kopfhörem und insbesondere so genannte In-Ear-Kopförer (Im-Ohr-Kopfhörer) zu ermöglichen. In the case addressed here of miniaturized sound-generating (micro-loudspeakers) or sound-absorbing (microphone) MEMS components, monolithic integration with circuits or other actuator or sensor elements is today severely limited. The reason lies in the way the MEMS microphones or loudspeakers work. In both cases, a relatively large membrane is required, which is formed in the chip area. The chip area on the top and bottom is mostly needed for the air flow created by the movement of the membrane. There is thus no significant chip area available to integrate further functionalities. In principle, a possible enlargement of the chip surface is opposed, above all, by a disproportionately decreasing chip area. On the other hand, the manufacturing processes are often not directly compatible with the manufacturing processes of the CMOS circuit, which increases the complexity of the overall process. For these two reasons, therefore, further functionalities on one or more separate chips are nowadays realized in the acoustic components and the entire system is brought together via hybrid integration / system-in-package. At the same time there is a need to obtain the smallest possible space of MEMS converters to allow use in portable devices, such as headphones and in particular so-called in-ear headphones (in-ear headphones).
Wünschenswert wäre demnach ein Konzept für verbesserte MEMS-Wandler, die einen hohen Wirkungsgrad bei gleichzeitig geringem Bauraumbedarf aufweisen. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, einen MEMS-Wandler und ein Verfahren zum Herstellen desselben zu schaffen, die einen Volumenstrom eines Fluids mit einem hohen Wirkungsgrad beeinflussen können und/oder von dem Volumenstrom mit einem hohen Wirkungsgrad beeinflusst werden können und dies mit einem geringen Bauraumbedarf ermöglichen. It would therefore be desirable to have a concept for improved MEMS converters which have a high degree of efficiency and at the same time a low space requirement. The object of the present invention is therefore to provide a MEMS converter and a method for producing the same, which can influence a volume flow of a fluid with a high efficiency and / or can be influenced by the volume flow with a high efficiency and with a allow small space requirements.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. This object is solved by the subject matter of the independent patent claims.
Der Kerngedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, erkannt zu haben, dass obige Aufgabe dadurch gelöst werden kann, dass ein Volumenstrom eines Fluids besonders effizient mittels eines Elements beeinflussbar ist, das in einer Bewegungsebene (in-plane) verformbar ist bzw. das der Volumenstrom ein derartiges Element besonders effizient auslenken kann. Dies ermöglicht große Flächen des verformbaren Elements, die mit dem Volumenstrom in eine Wechselwirkung treten können, bei gleichzeitiger geringen Abmes- sungen einer Chipoberfläche, so dass insgesamt eine effiziente MEMS- Wandlervorrichtung mit einem hohen Wirkungsgrad erhalten wird. Ferner wurde erkannt, dass eine Integration einer elektronischen Schaltung zum Betrieb des MEMS in eine Schicht des Schichtstapels ansonsten ungenutzte Halbleiterflächen für die elektronische Schaltung nutzbar macht, was zu einem geringen Bauraumbedarf der Vorrichtung führt. The core idea of the present invention is to have recognized that the above object can be achieved in that a volume flow of a fluid can be influenced particularly efficiently by means of an element which is deformable in a plane of movement (in-plane) or the volume flow can deflect such element particularly efficient. This allows large areas of the deformable element, which can interact with the volume flow, with simultaneous small dimensions of a chip surface, so that overall an efficient MEMS converter device with a high efficiency is obtained. Furthermore, it has been recognized that integration of an electronic circuit for operating the MEMS into a layer of the layer stack makes otherwise unused semiconductor surfaces usable for the electronic circuit, which leads to a small installation space requirement of the device.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst ein MEMS-Wandler zum Interagieren mit einem Volumenstrom eines Fluids ein Substrat, das einen Schichtstapel mit einer Mehrzahl von Schichten aufweist. Das Substrat weist eine Kavitat in dem Schichtstapei auf. Die Schichten bilden eine Mehrzahl von Substratebenen. Der MEMS-Wandler umfasst einen elektromechanischen Wandler, der mit dem Substrat in der Kavität verbunden ist und weist ein sich in zumindest einer Bewegungsebene der Mehrzahl von Substratebenen verformbares Element auf. Eine Verformung des verformbaren Elements in der Bewegungsebene und der Volumenstrom des Fluids hängen kausal zusammen. Der MEMS- Wandler umfasst ferner eine elektronische Schaltung, die in einer Schicht des Schichtsta- pels angeordnet ist. Die elektronische Schaltung ist mit dem elektromechanischen Wandler verbunden, und ausgebildet, um eine Konvertierung zwischen einer Verformung des verformbaren Elements und einem elektrischen Signal bereitzustellen. According to one embodiment, a MEMS converter for interacting with a volume flow of a fluid comprises a substrate having a layer stack with a plurality of layers. The substrate has a cavity in the Schichtstapei. The layers form a plurality of substrate planes. The MEMS transducer comprises an electromechanical transducer connected to the substrate in the cavity and has an element deformable in at least one plane of movement of the plurality of substrate planes. A deformation of the deformable element in the plane of motion and the volume flow of the fluid are causally related. The MEMS converter further comprises an electronic circuit which is arranged in a layer of the Schichtsta- pels. The electronic circuit is connected to the electromechanical transducer and configured to provide a conversion between deformation of the deformable member and an electrical signal.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel umfasst eine Vorrichtung einen beschriebe- nen MEMS-Wandler, der als MEMS-Lautsprecher gebildet ist, wobei die Vorrichtung als mobile Musikwiedergabevorrichtung oder als Kopfhörer ausgebildet ist. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel umfasst ein Gesundheitsassistenzsystem eine Sensoreinrichtung zum Erfassen einer Vitalfunktion eines Körpers und zum Ausgeben eines Sensorsignals basierend auf der erfassten Vitalfunktion. Das Gesundheitsassistenzsystem umfasst eine Verarbeitungseinrichtung zum Verarbeiten des Sensorsignals und zu Bereitstellen eines Ausgabesignals basierend auf der Verarbeitung und umfasst einen Kopfhörer umfassend einen beschriebenen MEMS-Wandler. Der MEMS-Wandler ist als Lautsprecher ausgeführt und umfasst eine Drahtlos-Kommunikationsschnittstelle zum Empfangen des Ausgabesignals und ist ausgebildet, um aufbauend hierauf ein akustisches Signal wiederzugeben. According to a further embodiment, a device comprises a described MEMS converter, which is formed as a MEMS speaker, wherein the device is designed as a mobile music playback device or as headphones. According to a further embodiment, a health assistance system comprises a sensor device for detecting a vital function of a body and for outputting a sensor signal based on the detected vital function. The health assistance system comprises a processing device for processing the sensor signal and providing an output signal based on the processing, and comprises a headset comprising a described MEMS converter. The MEMS converter is implemented as a loudspeaker and comprises a wireless communication interface for receiving the output signal and is designed to reproduce an acoustic signal based thereon.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel umfasst ein Verfahren zum Bereitstellen eines MEMS-Wandler zum Interagieren mit einem Volumenstrom eines Fluids ein Bereitstellen eines Substrats, das einen Schichtstapel mit einer Mehrzahl von Schichten, die eine Mehrzahl von Substratebenen bilden, und das eine Kavität in dem Schichtstapel aufweist. Das Verfahren umfasst ein Erzeugen eines elektromechanischen Wandlers, in dem Substrat, so dass dieser mit dem Substrat in der Kavität verbunden ist und ein sich in zumindest einer Bewegungsebene der Mehrzahl von Substratebenen verformbares Element aufweist, wobei eine Verformung des verformbaren Elements in der Bewegungsebene und der Volumenstrom des Fluids kausal zusammenhängen. Das Verfahren um- fasst ferner ein Anordnen einer elektronischen Schaltung in einer Schicht des Schichtstapels, so dass die elektronische Schaltung mit dem elektromechanischen Wandler verbunden ist, und ausgebildet ist, um eine Konvertierung zwischen einer Verformung des verformbaren Elements und einem elektrischen Signal bereitzustellen. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind der Gegenstand der abhängigen Patentansprüche. According to another embodiment, a method of providing a MEMS transducer for interacting with a volume flow of a fluid comprises providing a substrate comprising a layer stack having a plurality of layers forming a plurality of substrate planes and having a cavity in the layer stack. The method comprises generating an electromechanical transducer in the substrate so that it is connected to the substrate in the cavity and has a deformable in at least one plane of movement of the plurality of substrate planes element, wherein a deformation of the deformable element in the plane of motion and the Volume flow of the fluid causally related. The method further includes placing an electronic circuit in a layer of the layer stack so that the electronic circuit is connected to the electro-mechanical transducer and configured to provide a conversion between deformation of the deformable element and an electrical signal. Further advantageous embodiments are the subject of the dependent claims.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert. Es zeigen: Preferred embodiments of the present invention will be explained below with reference to the accompanying drawings. Show it:
Fig. 1 eine schematische perspektivische Ansicht eines MEMS-Wandlers gemäß einem Ausführungsbeispiel; 1 is a schematic perspective view of a MEMS converter according to an embodiment;
Fig. 2a eine schematische perspektivische Ansicht eines MEMS-Wandlers, der eine Fig. 2a is a schematic perspective view of a MEMS converter, a
Vielzahl elektromechanischer Wandler umfasst, gemäß einem Ausführungsbeispiel; Fig. 2b eine schematische Aufsicht des MEMS-Wandlers aus Fig. 2a gemäß einem Ausführungsbeispiel. Variety electromechanical transducer comprises, according to an embodiment; 2b is a schematic plan view of the MEMS converter of Fig. 2a according to an embodiment.
Fig. 2c eine schematische perspektivische Ansicht des MEMS-Wandlers aus Fig. 2a, bei dem die elektromechanischen Wandler einen verformten Zustand eines verformbaren Elements aufweisen, gemäß einem Ausführungsbeispiel; 2c is a schematic perspective view of the MEMS transducer of FIG. 2a, in which the electromechanical transducers have a deformed state of a deformable element, according to one embodiment;
Fig. 3 eine schematische perspektivische Ansicht eines verformbaren Elements, das als Bimorph ausgeführt ist, gemäß einem Ausführungsbeispiel; 3 shows a schematic perspective view of a deformable element embodied as a bimorph, according to an exemplary embodiment;
Fig. 4a eine schematische perspektivische Ansicht eines verformbaren Elements, das drei Bimorphstrukturen aufweist, gemäß einem Ausführungsbeispiel; 4a is a schematic perspective view of a deformable member having three bimorph structures, according to an embodiment;
Fig. 4b eine schematische perspektivische Ansicht des verformbaren Elements gem. 4b shows a schematic perspective view of the deformable element according to FIG.
Fig. 4a in einem ausgelenkten Zustand gemäß einem Ausführungsbeispiel;  4a in a deflected state according to an embodiment;
Fig. 4c eine schematische Aufsicht auf eine Anordnung zweier verformbarer Elemente, die benachbart zueinander angeordnet sind gemäß einem Ausführungsbeispiel; 4c is a schematic plan view of an arrangement of two deformable elements, which are arranged adjacent to each other according to an embodiment;
Fig. 5 eine schematische Aufsicht auf einen MEMS-Wandler, bei dem die elektromechanischen Wandler verglichen mit dem MEMS-Wandler aus Fig. 2a eine veränderte Konfiguration aufweisen, gemäß einem Ausführungsbeispiel; 5 shows a schematic plan view of a MEMS converter, in which the electromechanical converters have a changed configuration compared to the MEMS converter from FIG. 2 a, according to one exemplary embodiment;
Fig. 6a eine schematische Aufsicht auf einen elektromechanischen Wandler, bei dem gerade ausgebildete Federelemente zwischen Plattenelementen und verformbaren Elementen angeordnet sind, gemäß einem Ausführungsbeispiel; 6a is a schematic plan view of an electromechanical transducer, are arranged in the just-formed spring elements between plate elements and deformable elements, according to an embodiment;
Fig. 6b eine schematische Aufsicht auf einen elektromechanischen Wandler, bei dem Fig. 6b is a schematic plan view of an electromechanical transducer in which
Federelemente von auslenkbaren Enden der verformbaren Elemente mit einem Winkel von weniger als 90° angeordnet sind, gemäß einem Ausführungsbeispiel;  Spring elements of deflectable ends of the deformable elements are arranged at an angle of less than 90 °, according to one embodiment;
Fig. 6c eine schematische Aufsicht auf einen elektromechanischen Wandler, bei dem die Federelemente mit einem Winkel von mehr als 90° angeordnet sind, gemäß einem Ausführungsbeispiel; Fig. 6d eine schematische Aufsicht auf einen elektromechanischen Wandler, bei dem das Substrats benachbart zu einem verformbaren Element ein Federelement aufweist, gemäß einem Ausführungsbeispiel; Fig. 6e eine schematische Aufsicht auf einen elektromechanischen Wandler, bei dem Fig. 6c is a schematic plan view of an electromechanical transducer, in which the spring elements are arranged at an angle of more than 90 °, according to an embodiment; 6d shows a schematic plan view of an electromechanical converter, in which the substrate has a spring element adjacent to a deformable element, according to one exemplary embodiment; Fig. 6e is a schematic plan view of an electromechanical transducer in which
Plattenelemente Aussparungen aufweisen, gemäß einem Ausführungsbeispiel;  Plate elements have recesses, according to an embodiment;
Fig. 7a eine schematische Aufsicht auf ein verformbares Element, das mit dem Plattenelement verbunden ist, gemäß einem Ausführungsbeispiel; 7a is a schematic plan view of a deformable element which is connected to the plate element, according to an embodiment;
Fig. 7b eine schematische Aufsicht auf eine Konfiguration, bei der das verformbare Fig. 7b is a schematic plan view of a configuration in which the deformable
Element zwischen dem Substrat fest eingespannt ist und ausgebildet ist, gemäß einem Ausführungsbeispiel; Fig. 7c eine schematische Aufsicht auf eine Konfiguration des elektromechanischen  Element is firmly clamped between the substrate and is formed, according to an embodiment; Fig. 7c is a schematic plan view of a configuration of the electromechanical
Wandlers, bei dem die verformbaren Elemente in einem Mittenbereich Aussparungen aufweisen, gemäß einem Ausführungsbeispiel;  Converter, wherein the deformable elements have recesses in a central region, according to an embodiment;
Fig. 7d eine schematische Aufsicht auf eine Konfiguration, des elektromechanischen Fig. 7d is a schematic plan view of a configuration of the electromechanical
Wandlers bei der ein erstes verformbares Element und ein zweites verformbares Element parallel zu einander angeordnet sind;  Transducer in which a first deformable element and a second deformable element are arranged parallel to each other;
Fig. 8a eine schematische perspektivische Ansicht eines MEMS-Wandlers, bei dem die verformbaren Elemente alternierend mit dem Substrat bzw. mit einem An- kerelement verbunden sind, gemäß einem Ausführungsbeispiel; 8a shows a schematic perspective view of a MEMS converter, in which the deformable elements are connected alternately to the substrate or to an armature element, according to an exemplary embodiment;
Fig. 8b eine schematische Aufsicht des MEMS-Wandlers aus Fig. 8a gemäß einem FIG. 8b shows a schematic plan view of the MEMS converter from FIG. 8a according to FIG
Ausführungsbeispiel; Fig. 8c eine schematische perspektivische Ansicht des MEMS-Wandlers aus Fig. 8a in einem ausgelenkten Zustand gemäß einem Ausführungsbeispiel;  Embodiment; FIG. 8 c is a schematic perspective view of the MEMS converter of FIG. 8 a in a deflected state according to an embodiment; FIG.
Fig. 8d eine schematische Aufsicht auf den MEMS-Wandler aus Fig. 8b in dem ausgelenkten Zustand gemäß einem Ausführungsbeispiel; Fig. 9 eine schematische perspektivische Ansicht eines Stapeis, der drei MEMS- Wandler aufweist, gemäß einem Ausführungsbeispiei; FIG. 8 d shows a schematic plan view of the MEMS converter of FIG. 8 b in the deflected state according to an embodiment; FIG. 9 is a schematic perspective view of a stack comprising three MEMS transducers according to an embodiment;
Fig. 10 eine schematische perspektivische Aufsicht auf einen Ausschnitt eines MEMS- Wandlers, bei dem zwischen Seiten des Substrats verformbare Elemente angeordnet sind, gemäß einem Ausführungsbeispiel; 10 shows a schematic perspective view of a detail of a MEMS converter in which deformable elements are arranged between sides of the substrate, according to an exemplary embodiment;
Fig. 1 1 a eine schematische Aufsicht auf einen Ausschnitt eines MEMS-Wandlers, bei dem die elektromechanischen Wandler bezogen auf eine laterale Richtung des Substrats schräg angeordnet ist, gemäß einem Ausführungsbeispiel; 1 1 a is a schematic plan view of a section of a MEMS converter, in which the electromechanical transducer is arranged obliquely with respect to a lateral direction of the substrate, according to an embodiment;
Fig. 1 1 b eine schematische Aufsicht auf einen Ausschnitt eines MEMS-Wandlers, der als Pumpe einsetzbar ist; gemäß einem Ausführungsbeispiel; Fig. 12a eine schematische Aufsicht auf einen Ausschnitt eines MEMS-Wandlers, der bspw. als MEMS-Pumpe einsetzbar ist, in einem ersten Zustand; Fig. 1 1 b is a schematic plan view of a detail of a MEMS converter which can be used as a pump; according to an embodiment; 12a is a schematic plan view of a detail of a MEMS converter, which can be used, for example, as a MEMS pump, in a first state;
Fig. 12b den MEMS-Wandler aus Fig. 2a in einem zweiten Zustand; Fig. 13 eine schematische Ansicht zweier verformbaren Elemente, die entlang einer lateralen Erstreckungsrichtung miteinander verbunden sind, gemäß einem Ausführungsbeispiel; FIG. 12b shows the MEMS converter of FIG. 2a in a second state; FIG. 13 shows a schematic view of two deformable elements which are connected to one another along a lateral extension direction, according to an exemplary embodiment;
Fig. 14 eine schematische Ansicht eines Stapels umfassend zwei MEMS-Wandler, die miteinander verbunden sind und eine gemeinsame Schicht aufweisen, gemäß einem Ausführungsbeispiel; 14 is a schematic view of a stack comprising two MEMS transducers connected to each other and having a common layer according to an embodiment;
Fig. 15 eine schematische Seitenschnittansicht eines verformbaren Elements, das zwei Fig. 15 is a schematic side sectional view of a deformable element, the two
Schichten aufweist, die über Verbindungselemente miteinander beabstandet und verbunden sind, gemäß einem Ausführungsbeispiel;  Layers, which are spaced apart and connected to one another via connecting elements, according to an embodiment;
Fig. 16 eine schematische Aufsicht auf ein verformbares Element, das benachbart zu einer Elektrode angeordnet ist, gemäß einem Ausführungsbeispiel; Fig. 17a eine schematische perspektivische Ansicht eines MEMS-Wandlers gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel von einer ersten Seite; Fig. 17b eine schematische Ansicht des MEMS-Wandlers aus Fig. 17a von einer zweiten Seite; FIG. 16 is a schematic plan view of a deformable member disposed adjacent to an electrode according to an embodiment; FIG. 17a shows a schematic perspective view of a MEMS converter according to a further exemplary embodiment from a first side; FIG. 17b is a schematic view of the MEMS converter of FIG. 17a from a second side; FIG.
Fig. 17c eine schematische perspektivische Ansicht des MEMS-Wandiers gemäß der 17c is a schematic perspective view of the MEMS Wandiers according to the
Ansicht in Fig. 17a, bei dem gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel Öffnungen so ausgestaltet sind, dass Gitterstege angeordnet sind;  View in Fig. 17a, in which according to a further embodiment, openings are configured so that grid bars are arranged;
Fig. 18a eine schematische perspektivische Ansicht eines MEMS-Wandiers gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei dem benachbart zu einer elektronischen Schaltung ein Funktionselement angeordnet ist; 18a is a schematic perspective view of a MEMS Wandiers according to an embodiment in which adjacent to an electronic circuit, a functional element is arranged;
Fig. 18b eine schematische perspektivische Ansicht eines MEMS-Wandlers, der gegenüber dem MEMS-Wandler aus Fig. 18a dahin gehend modifiziert ist, dass gemäß einem Ausführungsbeispiel eine Öffnung in einer Deckelschicht angeordnet ist; FIG. 18b shows a schematic perspective view of a MEMS converter that is modified relative to the MEMS converter of FIG. 18a in such a way that, according to one exemplary embodiment, an opening is arranged in a cover layer;
Fig. 19a eine schematische Ansicht einer Schicht, zur Anpassung von Abstandsrastern gemäß einem Ausführungsbeispiel; 19a shows a schematic view of a layer for adapting pitch grids according to an exemplary embodiment;
Fig. 19b eine schematische Ansicht einer Verwendung einer Adaptionsschicht gemäß einem Ausführungsbeispiel, 19b is a schematic view of a use of an adaptation layer according to an embodiment,
Fig. 20 ein schematisches Blockschaltbild eines MEMS-Systems gemäß einem Ausführungsbeispiel; FIG. 20 is a schematic block diagram of a MEMS system according to an embodiment; FIG.
Fig. 21 a eine Vorrichtungen gemäß einem Ausführungsbeispiel; Fig. 21 a shows a device according to an embodiment;
Fig. 21 b ein schematisches Blockdiagramm eines weiteren Systems gemäß einem Ausführungsbeispiel, das als Universalübersetzer und/oder als Navigationsassistenzsystem ausgebildet sein kann; FIG. 21b shows a schematic block diagram of a further system according to an exemplary embodiment, which can be designed as a universal translator and / or as a navigation assistance system; FIG.
Fig. 22 eine schematische Darstellung eines Gesundheitsassistenzsystems gemäß einem Ausführungsbeispiel; Fig. 23 eine schematische Aufsicht auf einen MEMS-Wandler gemäß einem Ausführungsbeispiel, der eine Vielzahl von elektromechanischen Wandlern mit einseitig eingespannten Balkenelementen aufweist; und Fig. 24 eine schematische Aufsicht auf einen MEMS-Wandler gemäß einem Ausführungsbeispiel, der eine Vielzahl von elektromechanischen Wandlern mit zweiseitig eingespannten Balkenelementen aufweist. FIG. 22 shows a schematic illustration of a health assistance system according to an exemplary embodiment; FIG. FIG. 23 is a schematic plan view of a MEMS converter according to an embodiment having a plurality of electromechanical transducers with cantilevered beam elements; FIG. and FIG. 24 shows a schematic plan view of a MEMS converter according to an exemplary embodiment, which has a multiplicity of electromechanical transducers with bilaterally clamped beam elements.
Bevor nachfolgend Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung im Detail anhand der Zeichnungen näher erläutert werden, wird darauf hingewiesen, dass identische, funktionsgleiche oder gleichwirkende Elemente, Objekte und/oder Strukturen in den unterschiedlichen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind, so dass die in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen dargestellte Beschreibung dieser Elemente untereinander austauschbar ist bzw. aufeinander angewendet werden kann. Before embodiments of the present invention are explained in more detail in detail with reference to the drawings, it is pointed out that identical, functionally identical or equivalent elements, objects and / or structures in the different figures are provided with the same reference numerals, so that shown in different embodiments Description of these elements is interchangeable or can be applied to each other.
Nachfolgend wird Bezug genommen auf MEMS-Wandler (MEMS = mikroelektromechani- sches System). Ein MEMS-Wandler kann eine oder mehrere elektroaktive Komponenten aufweisen, die basierend auf einer angelegten elektrischen Größe (Strom, Spannung, Ladung oder dergleichen) eine Veränderung in einer mechanischen Komponente bewir- ken. Diese Veränderung kann sich beispielsweise auf eine Verformung, auf eine Erwärmung oder eine Verspannung der mechanischen Komponente beziehen. Alternativ oder zusätzlich kann eine mechanische Beeinflussung der Komponente, etwa eine Verformung, eine Erwärmung oder eine Verspannung, zu einem elektrischen Signal oder einer elektrischen Information (Spannung, Strom, Ladung oder dergleichen) führen, die an elektrischen Anschlüssen der Komponente erfasst werden kann. Manche Materialien oder Komponenten weisen eine Reziprozität auf, das bedeutet, die Effekte sind wechselseitig vertauschbar. Beispielsweise können Piezomaterialien den inversen piezoelektrischen Effekt (Verformung basierend auf einem angelegten elektrischen Signal) und den piezoelektrischen Effekt (Bereitstellen einer elektrischen Ladung basierend auf einer Verfor- mung) aufweisen. In the following, reference will be made to MEMS (microelectromechanical system). A MEMS transducer may include one or more electroactive components that cause a change in a mechanical component based on an applied electrical quantity (current, voltage, charge, or the like). This change may, for example, relate to a deformation, to a heating or to a tension of the mechanical component. Alternatively or additionally, a mechanical influence on the component, such as a deformation, a heating or a strain, can lead to an electrical signal or electrical information (voltage, current, charge or the like) that can be detected at electrical connections of the component. Some materials or components have a reciprocity, which means that the effects are mutually interchangeable. For example, piezoelectric materials may have the inverse piezoelectric effect (deformation based on an applied electrical signal) and the piezoelectric effect (providing electrical charge based on deformation).
Manche der nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele beziehen sich auf vollintegrierte und hochminiaturisierte Systeme für Mensch-Computer- bzw. Mensch-Maschine- Schnittstellen-Anwendungen und -Interaktion inklusive Anwendungen im Bereich„persönlicher Assistent (personal assistent)". Dabei steht die akustische Schnittstelle im Mittelpunkt. Die Ausführungsbeispiele beziehen sich auf die Integration von MEMS und CMOS. Manche der nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele beziehen sich darauf, dass ein verformbares Element eines elektromechanischen Wandlers ausgebildet ist, um mit einem Volumenstrom eines Fluids zu interagieren. Eine Interaktion kann beispielsweise eine Verformung des verformbaren Elements, bewirkt durch eine elektrisches Ansteuer- signal, umfassen, das zu einer Bewegung, Verschiebung, Kompression oder Dekompression des Fluids führt. Alternativ oder zusätzlich kann der Volumenstrom des Fluids das verformbare Element verformen, so dass basierend auf der Wechselwirkung zwischen dem Volumenstrom und dem verformbaren Element eine Anwesenheit, eine Charakteris- tik (Druck, Strömungsgeschwindigkeit oder dergleichen) oder eine andere Information bezüglich des Fluids (etwa eine Temperatur) erhalten werden kann. Das bedeutet, dass eine Verformung des verformbaren Elements entlang der lateralen Bewegungsrichtung und der Volumenstrom des Fluids kausal zusammenhängen. MEMS können beispielsweise in Siliziumtechnologie hergestellt werden. Der elektromechanische Wandler kann das verformbare Element und weitere Elemente, etwa Elektroden und/oder elektrische Anschlüsse umfassen. Das verformbare Element kann ausgebildet sein, um sich (makroskopisch) entlang einer lateralen Bewegungsrichtung zu verformen, d. h., ein Element oder Bereich kann entlang der lateralen Bewegungsrichtung beweglich sein. Bei dem Element oder Bereich kann es sich bspw. um ein Balkenende oder um einen Mittenbereich einer Balkenstruktur handeln. Mikroskopisch betrachtet, kann bei einer Verformung des verformbaren Elements entlang der lateralen Bewegungsrichtung eine Verformung des verformbaren Elementes senkrecht zu der lateralen Bewegungsrichtung auftreten. Nachfolgend beschriebene Ausführungsbeispiele beziehen sich auf die makroskopische Betrachtungsweise. Some of the exemplary embodiments described below relate to fully integrated and highly miniaturized systems for human-computer or human-machine interface applications and interaction, including applications in the area of "personal assistant", in which the acoustic interface is the focus. The embodiments relate to the integration of MEMS and CMOS. Some of the embodiments described below relate to a deformable element of an electromechanical transducer being configured to interact with a volumetric flow of a fluid. An interaction may include, for example, deformation of the deformable member caused by an electrical drive signal that results in movement, displacement, compression or decompression of the fluid. Alternatively or additionally, the volume flow of the fluid deform the deformable element, so that based on the interaction between the volume flow and the deformable element, a presence, a characteristic (pressure, flow velocity or the like) or other information relating to the fluid (such as Temperature) can be obtained. This means that a deformation of the deformable element along the lateral direction of movement and the volume flow of the fluid are causally related. For example, MEMS can be made in silicon technology. The electromechanical transducer may comprise the deformable element and other elements, such as electrodes and / or electrical connections. The deformable element may be configured to deform (macroscopically) along a lateral direction of movement, ie, an element or region may be movable along the lateral direction of movement. The element or area may, for example, be a bar end or a central area of a bar structure. Viewed microscopically, upon deformation of the deformable member along the lateral direction of movement, deformation of the deformable member perpendicular to the lateral direction of movement may occur. The embodiments described below relate to the macroscopic approach.
Ausführungsbeispiele können miniaturisierte, in Silizium gefertigte Lautsprecher, Mikrophone und/oder Pumpen zur Verfügung stellen, die bezogen auf ihre jeweilige Baugröße einen möglichst hohen Schallpegel, eine möglichst hohe Empfindlichkeit und/oder eine möglichst hohe Flussrate des Fluids erzeugen können. Andere Ausführungsbeispiele können einen MEMS-Wandler, ein MEMS-Ventil und/oder ein MEMS-Dosiersystem schaffen. Embodiments may provide miniaturized speakers made in silicon, microphones and / or pumps which, based on their respective size, can produce the highest possible sound level, the highest possible sensitivity and / or the highest possible flow rate of the fluid. Other embodiments may provide a MEMS converter, a MEMS valve, and / or a MEMS dosing system.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung können genutzt werden, um Luftschall zu erzeugen, insbesondere im Hörschallbereich. Ausführungsbeispiele beziehen sich so- mit auf Lautsprecher, insbesondere miniaturisierte Lautsprecher, etwa für Hörgeräte, Kopfhörer darunter In-Ear-Kopfhörer (Im-Ohr-Kopfhörer), Headsets, Mobütelefone oder dergleichen. Der wechselseitige kausale Zusammenhang zwischen dem Volumenstrom und der Verformung des verformbaren Elements ermöglicht auch eine Anwendung in Lautsprechern. Ausführungsbeispiele beziehen sich somit auf elektroakustische Wandler. Ausführungsbeispiele ermöglichen es, ein möglichst stark miniaturisiertes, multifunktionales System zur Verfügung zu stellen, das in der Mensch-Computer- bzw. Mensch- Maschine-Interaktion eingesetzt werden kann und in Volumenproduktion kostengünstig herstellbar ist. Die Kernfunktionalität, die durch weitere Funktionen ergänzt werden soll, liegt dabei im Bereich der Schallerzeugung bzw. der Schallaufnahme. Embodiments of the present invention may be used to generate airborne sound, especially in the field of audiophile sound. Exemplary embodiments thus relate to loudspeakers, in particular miniaturized loudspeakers, for example for hearing aids, headphones including in-ear headphones (in-the-ear headphones), headsets, mobile phones or like. The mutual causal relationship between the volumetric flow and the deformation of the deformable element also makes it possible to use it in loudspeakers. Embodiments thus relate to electroacoustic transducers. Embodiments make it possible to provide a highly miniaturized, multifunctional system which can be used in human-computer or human-machine interaction and can be produced cost-effectively in volume production. The core functionality, which is to be supplemented by additional functions, lies in the area of sound generation or sound recording.
Fig. 1 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht von Teiien eines MEMS-Wandlers 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Der MEMS-Wandler 10 ist ausgebildet, um mit einem Volumenstrom 12 eines Fluids zu interagieren. Bei dem Fluid kann es sich um ein Gas (etwa Luft) und/oder eine Flüssigkeit handeln. Beispielsweise kann es sich bei der Flüssigkeit um eine medizinische Lösung, ein Medikament, eine Chemikalie für einen technischen Prozess oder dergleichen handeln. 1 shows a schematic perspective view of parts of a MEMS converter 10 according to one exemplary embodiment. The MEMS transducer 10 is configured to interact with a volumetric flow 12 of a fluid. The fluid may be a gas (such as air) and / or a liquid. For example, the fluid may be a medical solution, a drug, a chemical for a technical process, or the like.
Der MEMS-Wandler 10 weist ein Substrat 14 auf. Das Substrat 14 kann ein beliebiges Material aufweisen. Beispielsweise kann das Substrat 14 ein Holzmaterial, ein Metallma- terial und/oder ein Halbleitermaterial, etwa ein Siliziummaterial umfassen. Das Substrat 14 umfasst eine Kavität 16. Die Kavität 16 kann beispielsweise als Aussparung oder als zumindest teilweise umschlossenes Volumen des Substrats 14 verstanden werden. In der Kavität 16 kann zumindest bereichsweise das Fluid des Volumenstroms 12 angeordnet sein. Das Substrat 14 umfasst zumindest eine Materialschicht, etwa eine einstückige Schicht die die Kavität 16 aufweist, wie es bspw. durch Fräsen oder Ätzen aus einem Material heraus erhalten werden kann, und/oder wenn bei einem Erzeugen des Substrats 14 die Kavität 16 ausgelassen wird, so dass das Substrat 14 um die Kavität 16 herum erzeugt wird. Das Substrat 14 kann auch mehrere Schichten 15a und 15b aufweisen, was bspw. bei einer Halbleiterfertigung vorteilhaft sein kann. Unterschiedliche Strukturen, etwa die Anwesenheit und die Abwesenheit der Kavität 16, können in unterschiedlichen Schichten des Substrats 14 implementiert sein. Alternativ kann das Substrat auch eine höhere Anzahl von Schichten aufweisen, wie es nachfolgend erläutert wird. The MEMS converter 10 has a substrate 14. The substrate 14 may comprise any material. By way of example, the substrate 14 may comprise a wood material, a metal material and / or a semiconductor material, for example a silicon material. The substrate 14 comprises a cavity 16. The cavity 16 can be understood, for example, as a recess or as an at least partially enclosed volume of the substrate 14. In the cavity 16, the fluid of the volume flow 12 can be arranged at least in some areas. The substrate 14 comprises at least one layer of material, such as a one-piece layer having the cavity 16, as may be obtained, for example, by milling or etching of a material, and / or when the cavity 16 is omitted in a generation of the substrate 14, so that the substrate 14 is generated around the cavity 16. The substrate 14 may also have a plurality of layers 15a and 15b, which may be advantageous, for example, in semiconductor manufacturing. Different structures, such as the presence and absence of the cavity 16, may be implemented in different layers of the substrate 14. Alternatively, the substrate may also have a higher number of layers, as explained below.
Der MEMS-Wandler 10 umfasst einen elektromechanischen Wandler 18. Der elektrome- chanische Wandler 18 ist mit dem Substrat 14 verbunden. Der elektromechanische Wandler 18 umfasst ein verformbares Element 22, das entlang einer lateralen Bewe- gungsrichtung 24 verformbar ist. Beispielsweise kann ein Anlegen eines elektrischen Signals an den elektromechanischen Wandler 18 zu der Verformung des verformbaren Elements 22 entlang der lateralen Bewegungsrichtung 24 führen. Alternativ oder zusätzlich kann der Volumenstrom 12, wenn er auf das verformbare Element 22 trifft, dazu führen, dass das verformbare Element 22 die Verformung ausführt, so dass ein elektrisches Signal von dem elektromechanischen Wandler 18, das auf dem Volumenstrom 12 basiert, erhalten werden kann. D. h., dass die Verformung des verformbaren Elements 22 und der Volumenstrom 12 kausal zusammenhängen. Beispielsweise kann der elektromechani- sche Wandler 18 zumindest eine, etwa zwei, piezoelektrische Schicht umfassen oder dar- aus bestehen. Beide Schichten können durch elektrische Spannung verformt werden. Der elektromechanische Wandler kann weitere Elemente umfassen, bspw. Elektroden. The MEMS converter 10 comprises an electromechanical transducer 18. The electromechanical transducer 18 is connected to the substrate 14. The electromechanical transducer 18 comprises a deformable element 22, which along a lateral movement tion direction 24 is deformable. For example, applying an electrical signal to the electromechanical transducer 18 may result in the deformation of the deformable member 22 along the lateral direction of movement 24. Alternatively or additionally, the volume flow 12, when it encounters the deformable element 22, may cause the deformable element 22 to perform the deformation so that an electrical signal from the electromechanical transducer 18 based on the volume flow 12 can be obtained , That is, the deformation of the deformable element 22 and the volume flow 12 are causally related. For example, the electromechanical converter 18 may comprise or consist of at least one, approximately two, piezoelectric layer. Both layers can be deformed by electrical voltage. The electromechanical transducer may comprise further elements, for example electrodes.
Der MEMS-Wandler 10 umfasst eine nicht dargestellte elektronische Schaltung, die in zumindest einer der Schichten 15a oder 15b des Schichtstapels angeordnet ist. Die nicht dargestellte elektronische Schaltung ist mit dem elektromechanischen Wandler 18 verbunden, und ausgebildet ist, um eine Konvertierung zwischen einer Verformung des verformbaren Elements 22 und einem elektrischen Signal bereitzustellen. Das bedeutet, die nicht dargestellte elektronische Schaltung kann je nach Implementierung des MEMS- Wandlers zur sensorischen und/oder aktuatorischen Ansteuerung des EMS-Wandlers 10 genutzt werden. Eine Anordnung der elektronischen Schaltung in einer Deckelschicht des Substrats 14, etwa der Schicht 15a, kann ermöglichen, eine große Fläche der Deckelschicht für die elektronische Fläche zu nutzen, was eine entsprechende Einsparung von Chipfläche und/oder Bauraum bei anderen Bauteilen ermöglicht, etwa Platinen, auf die der MEMS-Wandler 10 montiert wird. Eine Anordnung zumindest von Teilen der elekt- ronischen Schallung in einer Deckelfläche des Schichtstapels kann ferner den Vorteil ermöglichen, dass eine einfache Kontaktierung des MEMS-Wandlers mit anderen elektronischen Bauteilen ermöglicht ist. The MEMS converter 10 comprises an electronic circuit, not shown, which is arranged in at least one of the layers 15a or 15b of the layer stack. The electronic circuit, not shown, is connected to the electromechanical transducer 18, and is configured to provide a conversion between deformation of the deformable member 22 and an electrical signal. This means that the electronic circuit, not shown, can be used depending on the implementation of the MEMS converter for sensory and / or actuatoric control of the EMS converter 10. An arrangement of the electronic circuit in a cover layer of the substrate 14, such as the layer 15a, may allow to use a large area of the cover layer for the electronic surface, which allows a corresponding saving of chip area and / or space in other components, such as circuit boards, on which the MEMS converter 10 is mounted. An arrangement of at least parts of the electronic sounding in a cover surface of the layer stack may further allow the advantage that a simple contacting of the MEMS transducer with other electronic components is made possible.
Der Begriff Konvertierung ist hierbei als Umsetzung von einer Eingangsgröße in eine Ausgangsgröße zu verstehen. Die elektronische Schaltung kann ausgebildet sein, um ein elektrisches Ansteuersignal in eine Auslenkung eines oder mehrerer verformbaren Elemente zu konvertieren, d. h., eine aktuatorische Ansteuerung vorzunehmen, und/oder um einer Verformung eines oder mehrerer verformbaren Elemente in ein elektrisches Ausgangssignal zu konvertieren, d. h., eine sensorische Auswertung oder Ansteuerung vor- zunehmen. Für die Konvertierung kann die elektronische Schaltung zumindest eines aus einem Digital-Analog-Wandler zum Konvertieren einer digitalen Version des Ansteuersig- nals in eine analoge Version des Ansteuersignais und/oder einem Analog-Digital-Wandler zum Umsetzen einer analogen Version des elektrischen Ausgangssignals in eine digitale Version des elektronischen Ausgangssignals umfassen. Vereinfacht ausgedrückt kann die elektronische Schaltung 17 das Ansteuersignal In in einer analogen oder digitalen Form erhalten und in ein für den MEMS-Wandler 10 geeignetes analoges oder digitales Signal Out umsetzen. Bspw. kann die elektronische Schaltung ausgebildet sein, um das elektrische Ansteuersignal In in eine Auslenkung des verformbaren Elements zumindest eines elektromechanischen Wandlers zu konvertieren. Hierfür kann die elektronische Schaltung einen schaltenden Verstärker (so genannter Klasse-D Verstärker) umfassen. Dieser kann ausgebildet sein, um das Signal Out als digitales pulsweitenmoduliertes Ansteuersignal für das verformbare Element bereitzustellen. The term conversion is to be understood here as the conversion of an input variable into an output variable. The electronic circuit may be configured to convert an electrical drive signal to a deflection of one or more deformable elements, ie, to perform an actuator drive, and / or to convert a deformation of one or more deformable elements into an electrical output, ie, one sensory evaluation or activation. For the conversion, the electronic circuit may include at least one of a digital-to-analog converter for converting a digital version of the drive signal. nals in an analog version of the drive signal and / or an analog-to-digital converter for converting an analog version of the electrical output signal into a digital version of the electronic output signal. In simple terms, the electronic circuit 17 can receive the drive signal In in an analog or digital form and convert it into an analog or digital signal Out suitable for the MEMS converter 10. For example. For example, the electronic circuit may be configured to convert the electrical drive signal In into a deflection of the deformable element of at least one electromechanical transducer. For this purpose, the electronic circuit may comprise a switching amplifier (so-called class-D amplifier). This can be designed to provide the signal Out as a digital pulse width modulated drive signal for the deformable element.
Es sei hier angemerkt, dass die Verwendung des Begriffs Deckelfläche auf den beschriebenen Schichtstapel bezogen ist, die bspw. äußere Schichten des Stapels beschreiben. Dies soll jedoch nicht so verstanden werden, dass keine weiteren Schichten angeordnet werden können, denn es ist möglich an dem beschriebenen Stapel zusätzliche Schichten vorzusehen, die die äußeren Schichten teilweise oder vollständig bedecken. Bspw. können isolierende Schichten, etwa ein Halbleiteroxid oder Lacke vorgesehen sein, aber auch weitere elektrisch funktionelle Schichten. It should be noted here that the use of the term cover surface is related to the described layer stack, which describes, for example, outer layers of the stack. However, this should not be understood to mean that no further layers can be arranged, because it is possible to provide additional layers on the described stack, which cover the outer layers partially or completely. For example. it is possible to provide insulating layers, for example a semiconductor oxide or lacquers, but also other electrically functional layers.
Das Substrat 14 kann eine oder mehrere Öffnungen 26a-d umfassen, durch die der Volumenstrom 12 von einer Umgebung des MEMS-Wandlers 10 in die Kavität 16 und/oder aus der Kavität 16 in eine Umgebung des MEMS-Wandlers 10 gelangen kann. Eine Bewegung, die das verformbare Element 22 bei der Verformung ausführt, kann bezogen auf das Substrat 14 als in der Ebene (in plane) verstanden werden. Der Volumenstrom 12 kann zumindest teilweise senkrecht zu der Bewegungsrichtung 24 aus der Kavität 16 austreten oder in diese gelangen, wie es beispielsweise für den Volumenstrom 12 durch die Öffnung 26c oder 26d dargestellt ist. Vereinfacht ausgedrückt, kann eine Bewegung des verformbaren Elements 22 in-plane zu einem Volumenstrom 12 out-of-plane führen und andersherum. Das bedeutet, dass die laterale Bewegungsrichtung und/oder die Verkrümmung des verform baren Elements in-plane bezogen auf das Substrat erfolgen kann. The substrate 14 may include one or more openings 26a-d through which the volume flow 12 may pass from an environment of the MEMS transducer 10 into the cavity 16 and / or out of the cavity 16 into an environment of the MEMS transducer 10. A movement that the deformable element 22 performs during the deformation can be understood in terms of the substrate 14 as in the plane. The volumetric flow 12 can emerge from the cavity 16 at least partially perpendicular to the direction of movement 24 or can enter it, as illustrated, for example, for the volumetric flow 12 through the opening 26c or 26d. Simply stated, movement of the deformable element 22 in-plane may result in a volumetric flow 12 out-of-plane and vice versa. This means that the lateral direction of movement and / or the curvature of the deformable element can be in-plane with respect to the substrate.
Die Öffnungen 26c und 26d sind senkrecht zu der lateralen Bewegungsrichtung 24 in dem Substrat 14 angeordnet. Die Verformung des verformbaren Elements 22 entlang der late- ralen Bewegungsrichtung 24 kann zu einer Bewegung zumindest eines Bereichs des verformbaren Elements 22 hin zu der Öffnung 26a erfolgen, so dass eine Teilkavität 28 ba- sierend auf der Verformung verkleinert wird. Ein Druck des Fluids, das sich in der Teilkavität 28 befindet, kann basierend darauf erhöht werden. Vereinfacht ausgedrückt, kann das Fluid komprimiert werden. Dies kann ein Ausströmen des Fluids aus der Teilkavität 28 bzw. der Kavität 16 ermöglichen. Durch die Öffnungen 26d und 26c kann der Volumen- ström 12 senkrecht zu der lateralen Bewegungsrichtung 24 erhalten werden. The openings 26 c and 26 d are arranged perpendicular to the lateral movement direction 24 in the substrate 14. The deformation of the deformable element 22 along the lateral direction of movement 24 may result in a movement of at least one region of the deformable element 22 towards the opening 26 a, so that a partial cavity 28 ba- is reduced to the deformation on the deformation. A pressure of the fluid located in the subcavity 28 may be increased based thereon. Put simply, the fluid can be compressed. This can allow an outflow of the fluid from the Teilkavität 28 and the cavity 16. Through the openings 26 d and 26 c, the volume flow 12 can be obtained perpendicular to the lateral direction of movement 24.
Eine Grundfläche des MEMS-Wandlers 10 kann beispielsweise in einer x/y-Ebene angeordnet sein. Eine große Abmessung des MEMS-Wandlers 10 entlang einer z-Richtung, die senkrecht zu der x-Richtung und/oder der y-Richtung im Raum angeordnet ist bzw. eine hohe Abmessung des verformbaren Elements 22 entlang der z-Richtung kann zu einer Erhöhung des Volumenstroms 12 führen, während die Grundfläche des MEMS- Wandlers 10 unverändert bleibt. Eine Vergrößerung der Teilkavität 28 kann zu einem Unterdruck des Fluids in der Teilkavität 28 führen, so dass der Volumenstrom basierend auf der Verformung des verformbaren Elements 22 senkrecht zu der lateralen Bewegungs- richtung 24 in die Kavität 28 bzw. 16 strömt. A base area of the MEMS converter 10 may, for example, be arranged in an x / y plane. A large dimension of the MEMS transducer 10 along a z-direction that is perpendicular to the x-direction and / or the y-direction in space or a large dimension of the deformable element 22 along the z-direction may increase of the volumetric flow 12, while the base area of the MEMS converter 10 remains unchanged. An enlargement of the partial cavity 28 can lead to a negative pressure of the fluid in the partial cavity 28, so that the volume flow flows into the cavity 28 or 16 based on the deformation of the deformable element 22 perpendicular to the lateral movement direction 24.
Das verformbare Element kann eine axiale Ausdehnung, beispielsweise entlang der y- Richtung, aufweisen, die einen Wert in einem Bereich von zumindest 1 pm und höchstens 100 mm, bevorzugt von zumindest 100 pm und höchstens 10 mm und besonders bevor- zugt in einem Bereich von zumindest 500 pm und höchstens 5 mm aufweist. Das verformbare Element 22 kann eine Ausdehnung entlang der lateralen Bewegungsrichtung 24 aufweisen, die einen Wert in einem Bereich von zumindest 0, 1 pm und höchstens 1000 pm, bevorzugt von zumindest 1 pm und höchstens 100 pm und besonders bevorzugt in einem Bereich von zumindest 5 pm und höchstens 30 pm aufweist. Das verform- bare Element kann eine Ausdehnung entlang einer lateralen Richtung, die senkrecht zu der lateralen Bewegungsrichtung angeordnet ist, beispielsweise entlang der z-Richtung, aufweisen, die einen Wert in einem Bereich von zumindest 0, 1 pm und höchstens 1000 pm, bevorzugt von zumindest 1 pm und höchstens 300 pm und besonders bevorzugt in einem Bereich von zumindest 10 pm und höchstens 100 pm aufweist. The deformable element may have an axial extent, for example along the y-direction, which has a value in a range of at least 1 pm and at most 100 mm, preferably at least 100 pm and at most 10 mm, and more preferably in a range of at least 500 pm and at most 5 mm. The deformable element 22 may have an extent along the lateral movement direction 24, which has a value in a range of at least 0, 1 pm and at most 1000 pm, preferably of at least 1 pm and at most 100 pm, and particularly preferably in a range of at least 5 pm and at most 30 pm. The deformable element may have an extension along a lateral direction, which is arranged perpendicular to the lateral movement direction, for example along the z-direction, which has a value in a range of at least 0.1 .mu.m and at most 1000 .mu.m, preferably at least 1 pm and at most 300 pm, and more preferably in a range of at least 10 pm and at most 100 pm.
Fig. 2a zeigt eine schematische perspektivische Ansicht eines MEMS-Wandlers 20, der eine Vielzahl elektromechanischer Wandler 18a-f umfasst. Die elektromechanischen Wandler 18a-f sind mit dem Substrat 14 verbunden und können jeweils ein entlang der lateralen Bewegungsrichtung 24 verformbares Element aufweisen, wie es im Zusammen- hang mit der Fig. 1 beschrieben ist. Das Substrat 14 umfasst beispielsweise eine erste Schicht 32a, eine erste Abstandsschicht 34a, eine Zwischenschicht 36, eine zweite Abstandsschicht 34b und eine zweite Schicht 32b, die in der genannten Reihenfolge aufeinander angeordnet sind. Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen kann zwischen zwei der als aufeinanderfolgend angeordne- ten Schichten eine oder mehrere weitere Schichten angeordnet sein. Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen ist zumindest eine der Schichten 32a, 32b, 34a, 34b und/oder 36 mehrschichtig aufgebaut. Eine elektronische Schaltung 17, etwa die im Zusammenhang mit der Fig. 1 beschriebene elektronische Schaltung kann teilweise oder vollständig in der Schicht 32b angeordnet sein. Alternativ oder zusätzlich kann die elektronische Schaltung 17 zumindest teilweise in einer oder mehrerer der Schichten 32a, 34a, 36 und/oder 34b angeordnet sein. Fig. 2a shows a schematic perspective view of a MEMS converter 20 comprising a plurality of electromechanical transducers 18a-f. The electromechanical transducers 18a-f are connected to the substrate 14 and can each have a deformable element along the lateral movement direction 24, as described in connection with FIG. The substrate 14 includes, for example, a first layer 32a, a first spacer layer 34a, an intermediate layer 36, a second spacer layer 34b, and a second layer 32b arranged on top of each other in that order. According to further embodiments, one or more further layers may be arranged between two of the layers arranged as successively. According to further embodiments, at least one of the layers 32a, 32b, 34a, 34b and / or 36 has a multilayer structure. An electronic circuit 17, such as the electronic circuit described in connection with FIG. 1 may be partially or completely disposed in the layer 32b. Alternatively or additionally, the electronic circuit 17 may be arranged at least partially in one or more of the layers 32a, 34a, 36 and / or 34b.
Die elektronische Schaltung kann ausgebildet sein, ein elektrisches Ansteuersignal In, in eine Auslenkung des verformbaren Elements zu konvertieren, indem dem elektromecha- nischen Wandler ein Signal Out, basierend auf dem Signal In, bereitgestellt wird. Alternativ oder zusätzlich kann basierend auf einer Verformung des verformbaren Elements ein Signal ln2 erhalten werden, das von der elektronischen Schaltung in ein elektrisches Ausgangssignal Out2 konvertiert werden kann. Die Konvertierung kann hierbei so erfolgen, dass die elektronische Schaltung 17 zumindest eines aus einem Digital-Anaiog-Wandler (ADC) und einem Digital-Analog-Wandler (DAC) oder auch einem AC/AC-Umsetzer oder DC/DC-Umsetzer aufweist. Basierend hierauf kann die elektronische Schaltung 17 ausgebildet sein, um ein Eingangssignal ln1 in einer analogen Version zu erhalten und in eine digitale Version zu überführen, um das Signal Outi zu erhalten. Alternativ kann das Signal In, auch ein digitales Signa! sein und das Signal Out<, ein analoges, es können beide Sig- nale lni und Out, digital oder analog sein. Alternativ oder zusätzlich kann die elektronische Schaltung 17 eine Konvertierung des Signals ln2, das von dem elektromechanischen Wandler erhalten wird, etwa in einer analogen Form, in das Signal Out2 bereitstellen. Das Signal Out2 kann analog oder digital sein. Die elektronische Schaltung 17 kann somit zum Konvertieren einer digitalen Version des Ansteuersignais in-i in eine analoge Version des Ansteuersignais Out, gebildet sein und/oder einen Analog-Digital-Wandler zum Umsetzen einer analogen Version des elektrischen Ausgangssignals In, in eine digitale Version des elektronischen Ausgangssignals (Out, ) umfassen. The electronic circuit may be configured to convert an electrical drive signal In to a deflection of the deformable element by providing the electromechanical transducer with a signal Out based on the signal In. Alternatively or additionally, based on a deformation of the deformable element, a signal ln 2 can be obtained, which can be converted by the electronic circuit into an electrical output signal Out 2 . The conversion can in this case take place such that the electronic circuit 17 has at least one of a digital analog converter (ADC) and a digital / analog converter (DAC) or else an AC / AC converter or DC / DC converter. Based on this, the electronic circuit 17 may be configured to receive an input signal ln 1 in an analog version and to convert them into a digital version to obtain the signal Outi. Alternatively, the signal In, even a digital signa! and the signal Out <, an analog, both signals can be lni and Out, digital or analog. Alternatively or additionally, the electronic circuit 17 may provide a conversion of the ln 2 signal obtained from the electromechanical transducer, such as in an analog form, into the Out 2 signal. The signal Out 2 can be analog or digital. The electronic circuit 17 can thus be formed for converting a digital version of the drive signal in-i into an analog version of the drive signal Out, and / or an analog-to-digital converter for converting an analog version of the electrical output signal In, to a digital version of the electronic output signal (Out).
Die elektromechanischen Wandler 18a-f sind ausgebildet und/oder durch die elektroni- sehe Schaltung 17 ansteuerbar, so dass sich diese basierend auf dem Volumenstrom 12 und/oder basierend auf einer Ansteuerung teilweise aufeinander zu- und teilweise voneinander wegbewegen. The electromechanical transducers 18a-f are formed and / or can be controlled by the electronic circuit 17, so that these are based on the volume flow 12 and / or based on a control partly towards each other and partially move away from each other.
Beispielsweise sind die elektromechanischen Wandler 18a und 18b ausgebildet, um sich voneinander wegzubewegen, während die elektromechanischen Wandler 18b und 18c sich aufeinander zubewegen. Zwischen den elektromechanischen Wandlern 18a und 18b, 18c und 18d und 18e und 18f sind Teilkavitäten 38a-c angeordnet, wobei sich die Teil- kavitäten 38a-c basierend auf der Verformung der elektromechanischen Wandler 18a-f vergrößern können. Zwischen den elektromechanischen Wandlern 18b und 18c bzw. 18d und 18e sind Teilkavitäten 42a und 42b angeordnet, die sich basierend auf der Bewegung oder Verformung gleichzeitig verkleinern können. In einem darauffolgenden Zeitintervall kann die Verformung oder Bewegung der elektromechanischen Wandler bzw. der verformbaren Elemente umkehrbar sein, so dass sich die Volumina der Teilkavitäten 38a, 38b und 38c verkleinern, während sich Volumina der Teilkavitäten 42a und 42b vergrö- ßern. For example, the electromechanical transducers 18a and 18b are configured to move away from each other while the electromechanical transducers 18b and 18c move toward each other. Partial cavities 38a-c are disposed between electromechanical transducers 18a and 18b, 18c and 18d and 18e and 18f, and subcavities 38a-c may increase based on the deformation of electromechanical transducers 18a-f. Between the electromechanical transducers 18b and 18c, and 18d and 18e, respectively, partial cavities 42a and 42b are arranged which can be reduced in size at the same time based on the movement or deformation. In a subsequent time interval, the deformation or movement of the electromechanical transducers or the deformable elements can be reversible, so that the volumes of the sub-cavities 38a, 38b and 38c decrease while volumes of the sub-cavities 42a and 42b increase.
Die elektronische Schaltung 17 kann entlang einer Richtung senkrecht zu der Bewegungsebene angeordnet sein, in welcher sich die elektromechanischen Wandler bewegen. Wird ein Ort der elektronischen Schaltung in die Bewegungsebene projiziert, so kann dieser einem Ort entsprechen, an dem sich das verformbare Element während der Verformung zumindest zeitweise befindet. Das bedeutet, dass das verformbare Element sich bspw. über oder unter der elektronischen Schaltung 17 befinden kann. The electronic circuit 17 may be arranged along a direction perpendicular to the plane of movement in which the electromechanical transducers move. If a location of the electronic circuit is projected into the plane of movement, then this may correspond to a location at which the deformable element is at least temporarily located during the deformation. This means that the deformable element can be located, for example, above or below the electronic circuit 17.
In anderen Worten, auf dem unteren Deckel (erste Schicht 32a), der den Chip auf einer Seite (beispielsweise jedoch ohne Einschränkung eine Unterseite) teilweise oder vollständig abschließt, kann eine strukturierte Schicht, die Abstandsschicht 34a, angeordnet sein, welche beispielsweise als Abstandshalter zwischen dem unteren Deckel und der auf der strukturierten Schicht 34a angeordneten Zwischenschicht 36 nutzbar ist. Auf die strukturierte Schicht 36 kann wiederum eine strukturierte Abstandsschicht 34b angeordnet sein, die in ihrer Funktion als Abstandshalter ganz oder teilweise der Abstandsschicht 34a entspricht und eine identische oder ähnliche Form aufweisen kann. Der MEMS-Wandler 20 bzw. dessen Kavität kann durch den oberen Deckel, die zweite Schicht 32b entlang der z- Richtung teilweise oder vollständig abgeschlossen werden. Fig. 2a zeigt die Schicht 32b als teilweise aufgebrochene Darstellung, um im Bereich der Kavität angeordnete Elemen- te darstellbar zu machen. In einer x/y-Ebene der Zwischenschicht 36 können paarweise elektromechanische Wandler 18b und 18c bzw. 18d und 18e angeordnet sein, wobei sich eine derartige Anordnung entlang einer Raumrichtung, beispielsweise entlang der x- Richtung mehrfach wiederholen kann. Die elektronische Schaltung 17 kann ganz oder teilweise in zumindest einem der Deckel 32a und/oder 32b angeordnet sein. Es ist ferner möglich, dass sich die elektronische Schaltung 17 auch über mehrere Schichten erstreckt und bspw. teilweise in der Schicht 32a und der benachbarten Schicht 34a oder in der Schicht 32b und der benachbarten Schicht 34b angeordnet ist. In other words, on the lower lid (first layer 32a), which partially or completely closes the chip on one side (for example but without limitation a lower side), a structured layer, the spacer layer 34a, may be arranged, for example as a spacer between the lower lid and the intermediate layer 36 arranged on the structured layer 34a can be used. On the structured layer 36, in turn, a structured spacer layer 34b may be arranged, which in its function as a spacer completely or partially corresponds to the spacer layer 34a and may have an identical or similar shape. Or its cavity can be partially or completely closed by the upper lid, the second layer 32b along the z-direction. FIG. 2 a shows the layer 32 b as a partially cut-away view in order to make elements arranged in the area of the cavity representable. In an x / y plane of the intermediate layer 36 may be arranged in pairs electromechanical transducers 18b and 18c and 18d and 18e, wherein such an arrangement can repeat several times along a spatial direction, for example along the x-direction. The electronic circuit 17 may be wholly or partly arranged in at least one of the covers 32a and / or 32b. It is also possible that the electronic circuit 17 also extends over several layers and, for example, is arranged partially in the layer 32a and the adjacent layer 34a or in the layer 32b and the adjacent layer 34b.
Eine Anordnung der elektronischen Schaltung ganz oder teilweise in zumindest einem der Deckel 32a und/oder 32b ermöglicht eine platzsparende und somit flächeneffiziente An- Ordnung der elektronischen Schaltung. Dies ist insbesondere vorteilhaft in Kombination mit einem lateral, d. h., in-plane beweglichen Element möglich. Im Gegensatz zu senkrecht hierzu und out-of-plane beweglichen Elementen, wie es bspw. bei Lautsprechermembranen der Fall ist, kann auf ein Ausdünnen der entsprechenden Schicht (etwa zur Membranausbildung) verzichtet werden und/oder eine Bedeckung des beweglichen Ele- ments mit dem Deckel angeordnet werden, ohne die Funktionalität zu beeinträchtigen. Bei out-of-plane Bewegungen wäre die ausgedünnte Membranschicht, die das bewegliche Element zumindest teilweise bildet, entweder wenig geeignet für eine Anordnung einer elektronischen Schaltung und/oder eine zusätzliche bedeckende Schicht würde die Performance der Vorrichtung beeinträchtigen. In Ausführungsbeispielen ist der Deckel des Stapels, der auch von weiteren Schichten bedeckt sein kann, kein Teil des beweglichen Elements. An arrangement of the electronic circuit wholly or partly in at least one of the lid 32a and / or 32b allows a space-saving and thus space-efficient arrangement of the electronic circuit. This is particularly advantageous in combination with a lateral, d. h., in-plane movable element possible. In contrast to perpendicular to this and out-of-plane moving elements, as is the case, for example, with loudspeaker membranes, it is possible to dispense with thinning out of the corresponding layer (for example for membrane formation) and / or covering the movable element with the membrane Lid can be arranged without affecting the functionality. In out-of-plane movements, the thinned membrane layer which at least partially forms the movable element would either be poorly suited for electronic circuit placement and / or an additional covering layer would degrade the performance of the device. In embodiments, the lid of the stack, which may also be covered by further layers, not a part of the movable element.
Das Substrat kann eine Vielzahl von Öffnungen 26 aufweisen, die mit einer Vielzahl von Teilkavitäten 38a-c bzw. 42a-b verbunden sind, wobei bspw. jeweils eine Öffnung 26 mit einer Teilkavität 38a-c oder 42a-b verbunden sein kann. Ein Volumen jeder Teilkavität 38a-c oder 42a-b kann von einem Auslenkungszustand zumindest eines entlang der lateralen Bewegungsrichtung 24 verformbaren Elements 22 beeinflusst sein. Benachbarte Teilvolumina können komplementär während eines ersten oder zweiten Zeitintervalls vergrößerbar bzw. verkleinerbar sein. Vereinfacht ausgedrückt, kann ein Teilvolumen einer Teilkavität 38a-c oder 42a-b verkleinert werden, während ein benachbartes Teilvolumen einer Teilkavität 42a-b bzw. 38a-c vergrößert wird. The substrate may have a plurality of openings 26 which are connected to a plurality of partial cavities 38a-c and 42a-b, wherein, for example, in each case an opening 26 may be connected to a partial cavity 38a-c or 42a-b. A volume of each subcavity 38a-c or 42a-b may be influenced by a deflection state of at least one deformable element 22 along the lateral movement direction 24. Adjacent sub-volumes may be complementarily complemented or reduced in size during a first or second time interval. In simple terms, a partial volume of a partial cavity 38a-c or 42a-b can be reduced, while an adjacent partial volume of a partial cavity 42a-b or 38a-c is increased.
In einem Bereich einer oder mehrerer Öffnungen 26 können Stabstrukturen 44 angeordnet sein. Die Stabstrukturen 44 können so angeordnet sein, dass ein Passieren des Vo- lumenstroms 12 in eine oder zwei Richtungen ermöglicht ist, wohingegen ein Eindringen oder Heraustreten von Partikeln in die Kavität oder aus der Kavität reduziert oder verhin- dert ist. Eine Form der Schichten 32a, 32b, 34a, 34b und/oder 36 kann beispielsweise während eines Herstellungsprozesses durch selektives Entfernen und/oder selektives Anordnen oder Aufwachsen von Schichten beeinflusst sein. Beispielsweise können die Stabstrukturen 44 basierend auf einem selektiven Ätzprozess aus den Schichten 34a, 36 und/oder 34b herausgebildet werden. Ferner kann während des Herstellungsprozesses eine Form der Kavitäten 38a-c und 42a-b beeinflusst werden. Beispielsweise können Wandungen einer oder mehrerer Schichten 32a, 32b, 34a, 34b und/oder 36 an eine Bewegung der verformbaren Elemente der elektromechanischen Wandler 18a-f angepasst sein, beispielsweise um einen zumindest näherungsweise konstanten und/oder geringen Abstand zwischen den verformbaren Elementen und dem Substrat 14 zu ermöglichen. In a region of one or more openings 26, bar structures 44 may be arranged. The bar structures 44 may be arranged so as to allow passage of the volumetric flow 12 in one or two directions, while reducing or preventing particles from entering or leaving the cavity or from the cavity. that is. For example, one form of the layers 32a, 32b, 34a, 34b, and / or 36 may be affected during a manufacturing process by selectively removing and / or selectively disposing or growing layers. For example, the bar structures 44 may be formed from the layers 34a, 36 and / or 34b based on a selective etching process. Further, during the manufacturing process, a shape of the cavities 38a-c and 42a-b may be influenced. For example, walls of one or more layers 32a, 32b, 34a, 34b, and / or 36 may be adapted to movement of the deformable elements of the electromechanical transducers 18a-f, for example, an at least approximately constant and / or small distance between the deformable elements and the To enable substrate 14.
Benachbart oder an den Stabstrukturen oder Stabelementen kann eine Abdeckung 43 angeordnet sein. Die Abdeckung 43 kann benachbart zur Kavität 16 und/oder mittels der Stabelementen 44 hiervon getrennt angeordnet sein. Die Abdeckung kann bspw. ein Fließmaterial (Mesh-Material), ein Schaumstoffmaterial und/oder ein Papiermaterial umfassen. Die Abdeckung kann ein Eindringen von Partikeln in die Kavität 16 oder ein Austreten aus der Kavität 16 mit geringerem Durchmesser als einem Abstand zwischen Stabstrukturen ermöglichen. Alternativ kann die Abdeckung 43 auch benachbart oder an einer Öffnung 26 angeordnet sein, die die Stabeiemente 44 nicht aufweist. Adjacent or on the bar structures or rod elements, a cover 43 may be arranged. The cover 43 may be disposed adjacent to the cavity 16 and / or separated therefrom by the rod members 44. The cover may comprise, for example, a flow material (mesh material), a foam material and / or a paper material. The cover may allow particles to enter the cavity 16 or exit the cavity 16 with a smaller diameter than a spacing between bar structures. Alternatively, the cover 43 may also be disposed adjacent or at an opening 26 which does not have the stop elements 44.
Bewegt sich ein freies Ende der bewegbaren Elemente, beispielsweise in einer gebogenen Bahn und/oder einer Kreisbahn, so kann das Substrat 14 in einem Bereich, in welchem sich das bewegliche Ende bewegt, eine parallele oder ähnliche Form aufweisen. Fig. 2b zeigt eine schematische Aufsicht des MEMS-Wandlers 20 aus Fig. 2a. Die elektromechanischen Wandler 18a-f können beispielsweise mit dem Substrat 14 an Elementen 46a-c kraft- oder formschlüssig verbunden sein. Beispielsweise können ein oder mehr verformbare Elemente der elektromechanischen Wandler 18a-f einstückig mit den Elementen 46a-c gebildet sein. Die Elemente 46a-c können in einer Ebene der Schicht 36 angeordnet sein oder Teile der Schicht 36 sein. Eine Ausdehnung der verformbaren Elemente 22 der elektromechanischen Wandler 18a-f kann beispielsweise kleiner oder gleich sein als eine Ausdehnung der Schichten 34a, 36 und 34b entlang der z-Richtung. Das bedeutet, dass die verformbaren Elemente 22 der elektromechanischen Wandler 18a-f kontaktfrei zu der Schicht 32a und/oder 32b angeordnet und bewegbar sein können. Al- ternativ kann zumindest ein verformbares Element auch kontaktbehaftet verformt werden. Bspw. kann zwischen dem zumindest einen verformbaren Element und einer benachbar- ten Schicht, etwa die Schicht 32a und/oder 32b eine reibungsarme, d. h., einen geringen Reibungskoeffizienten aufweisende, Schicht angeordnet sein. Die reibungsarme Schicht kann eine fluidische Trennung zwischen Teilkavitäten ermöglichen, wie es bspw. für die Wandslruktur 49 beschrieben ist. Ein Reibungskoeffizient kann bspw. um 10 %, 20 % oder 50 % geringer sein, als ein Reibungskoeffizient der Schicht 32a und/oder 32b oder der Schicht 34a und/oder 34b. Eine Reibungskraft zwischen dem verformbaren Element 22 und angrenzenden Schichten kann geringer sein, als eine Kraft, die für eine Verformung des verformbaren Elementes 22 benötigt wird. Basierend auf einer reduzierten Reibungskraft kann bspw. eine von einem Aktor bereitzustellende Kraft geringer sein, so dass der Aktor leistungsärmer ausgeführt werden kann. Alternativ oder zusätzlich kann eine Empfindlichkeit des verformbaren Elementes 22 auf den Volumenstrom 12 erhöht werden. If a free end of the movable elements moves, for example in a curved path and / or a circular path, the substrate 14 may have a parallel or similar shape in a region in which the movable end moves. FIG. 2b shows a schematic plan view of the MEMS converter 20 from FIG. 2a. The electromechanical transducers 18a-f may, for example, be frictionally or positively connected to the substrate 14 on elements 46a-c. For example, one or more deformable elements of the electromechanical transducers 18a-f may be formed integrally with the elements 46a-c. The elements 46a-c may be disposed in a plane of the layer 36 or may be portions of the layer 36. For example, an extent of the deformable elements 22 of the electromechanical transducers 18a-f may be less than or equal to an extension of the layers 34a, 36, and 34b along the z-direction. That is, the deformable elements 22 of the electromechanical transducers 18a-f may be arranged and movable without contact with the layer 32a and / or 32b. Alternatively, at least one deformable element can also be deformed by contact. For example. between the at least one deformable element and an adjacent th layer, such as the layer 32a and / or 32b a low-friction, ie, a low coefficient of friction, layer may be arranged. The low-friction layer can enable a fluidic separation between partial cavities, as described, for example, for the wall structure 49. For example, a coefficient of friction may be 10%, 20%, or 50% less than a coefficient of friction of the layer 32a and / or 32b or the layer 34a and / or 34b. A frictional force between the deformable element 22 and adjacent layers may be less than a force needed to deform the deformable element 22. For example, based on a reduced frictional force, a force to be provided by an actuator may be lower, so that the actuator can be made less powerful. Alternatively or additionally, a sensitivity of the deformable element 22 to the volume flow 12 can be increased.
Die elektromechanischen Wandler 18b und 18c bilden beispielsweise Seitenwände der Teilkavität 42a (Kammer). Die bewegbaren Elemente 22 der elektromechanischen Wandler 18a-f können an den Elementen 46a-c formschlüssig befestigt sein. Zwischen einem auslenkbaren oder beweglichen Ende 52 der verformbaren Elemente 22 kann ein Abstand zu dem Substrat 14 bzw. zu Elementen 48a-d des Substrats 14 angeordnet sein. Das Ende 52 des verformbaren Elements 52 kann somit frei beweglich angeordnet sein. Ein oder mehrere verformbare Elemente 22 können aufgrund von Dimensionsverhältnissen, etwa einer Ausdehnung entlang der x-Richtung in einem Verhältnis zu einer Ausdehnung entlang der y-Richtung, vereinfacht ein Verhältnis Balkenbreite zu Balkenhöhe, besonders weit entlang der lateralen Richtung 24 auslenkbar sein. Sind die elektromechanischen Wandler 18a-f beispielsweise als Aktoren ausgebildet, können diese Aktoren bei Anlegen eines entsprechenden Signals auslenkbar sein, d. h. verkrümmt werden, so dass sich beispielsweise das Ende 52 des verformbaren Elements 22 auf einer gebogenen Bahn bewegt. Entsprechend dem Verlauf dieser Bahn kann zumindest eines der Elemente 48a-d so ausgebildet sein, dass ein Abstand zwischen und dem Ende 52 auch bei Auslenkung des verformbaren Elements 22 in etwa konstant und/oder klein bleibt. The electromechanical transducers 18b and 18c form, for example, side walls of the subcavity 42a (chamber). The movable members 22 of the electromechanical transducers 18a-f may be positively secured to the members 46a-c. Between a deflectable or movable end 52 of the deformable elements 22, a distance to the substrate 14 or to elements 48a-d of the substrate 14 may be arranged. The end 52 of the deformable element 52 can thus be arranged freely movable. One or more deformable elements 22 may, due to dimensional relationships, such as an expansion along the x direction in relation to an extension along the y direction, be simplified in a ratio of beam width to beam height, particularly far along the lateral direction 24. If the electromechanical converters 18a-f are designed, for example, as actuators, these actuators can be deflected when a corresponding signal is applied, ie. H. be curved so that, for example, the end 52 of the deformable element 22 moves on a curved path. According to the course of this path, at least one of the elements 48a-d may be formed such that a distance between and the end 52 remains approximately constant and / or small even when the deformable element 22 is deflected.
Der MEMS-Wandler 20 kann zumindest eine Wandstruktur 49 aufweisen. Eine Bewegung der Aktoren, elektromechanischen Wandler 18a-e oder verformbaren Elemente kann bspw. für eine Kammer 42a-b zur Folge haben kann, dass aufgrund von durch die Bewegung ausgelösten Fluidströmungen zur Befüllung der Kammer 38a-c eine fluidmechani- sehe Kopplung zu den benachbarten Kammern auftreten kann. Basierend auf der fluid- mechanischen Kopplung kann ein Fluidstrom 57 zwischen den Teilkavitäten 42a und 38b auftreten. Um diese direkte Kopplung bzw. den Fluidstrom 57 zu reduzieren oder zu vermeiden, können ein oder mehrere Trennwände (Wandstrukturen 49), die ggf. unbeweglich ausgestaltet sein können, zur Trennung benachbarter Kammerpaare 38 und 42 angeordnet sein. Die Wandstrukturen können einfach realisiert werden, beispielsweise an den entsprechenden Stellen als ein Element, das durchgängig aus den Schichten 34a, 36 und 34b gebildet ist. Beispielsweise können während eines selektiven Ätzverfahrens derartige Strukturen angeordnet bleiben. Die Wandstruktur 49 kann außerdem die mechanische Stabilität des EMS-Wandlers 20 erhöhen und kann einen Bondvorgang zwischen den einzelnen Schichten erleichtern. Die zumindest eine Wandstruktur 49 kann Öffnungen aufweisen oder vollständig durchgängig gestaltet sein, was es ermöglicht, durch das Her- ein-/Herausströmen des Fluids aus den Kammern 38a-c und 42a-b entstehende Dämpfung gezielt zu modifizieren, insbesondere zur Einstellung der Breite der Resonanzkurve bzw. allgemein zur Einstellung von dynamischen Eigenschaften der Aktor- Kammersysteme. The MEMS converter 20 may have at least one wall structure 49. For example, a movement of the actuators, electromechanical transducers 18a-e or deformable elements can result in a chamber 42a-b being fluid-mechanically coupled to the adjacent ones due to fluid flows caused by the movement to fill the chamber 38a-c Chambers can occur. Based on the fluid-mechanical coupling, a fluid flow 57 between the partial cavities 42a and 38b occur. In order to reduce or avoid this direct coupling or the fluid flow 57, one or more partition walls (wall structures 49), which may possibly be immovable, may be arranged to separate adjacent chamber pairs 38 and 42. The wall structures can be easily realized, for example, in the respective places as an element formed continuously from the layers 34a, 36 and 34b. For example, such structures may remain disposed during a selective etching process. The wall structure 49 may also increase the mechanical stability of the EMS transducer 20 and may facilitate bonding between the individual layers. The at least one wall structure 49 may have openings or be designed to be completely continuous, which makes it possible to specifically modify attenuation arising from the inflow / outflow of the fluid from the chambers 38a-c and 42a-b, in particular for adjusting the width of the chambers Resonance curve or in general for adjusting the dynamic properties of the actuator chamber systems.
Wird die Fig. 2b zusammen mit der Fig. 1 betrachtet, so kann ein Volumen der Kavität 16 und/oder der Vielzahl von Teilkavitäten 38a-c und 42a-b durch die Schichten 32a und 32b und Seitenbereichen 53a und 53b des Substrats 14 beeinflusst oder bestimmt sein. Die Seitenbereiche 53a und 53b können zwischen den Schichten 32a und 32b angeordnet sein. Die verformbaren Elemente der elektromechanischen Wandler 18a-c können ausgebildet sein, um zumindest in einem Abschnitt 55 der lateralen Bewegungsrichtung 24 eine Bewegung parallel zu der ersten Schicht 32a und/oder 32b auszuführen. Das bedeutet, dass sich das verformbare Element zwischen den Schichten 32a und 32b verformen oder bewegen kann. Considering FIG. 2b together with FIG. 1, a volume of the cavity 16 and / or the plurality of partial cavities 38a-c and 42a-b may be influenced by the layers 32a and 32b and side regions 53a and 53b of the substrate 14 be determined. The side portions 53a and 53b may be disposed between the layers 32a and 32b. The deformable elements of the electromechanical transducers 18a-c may be designed to execute a movement parallel to the first layer 32a and / or 32b at least in a section 55 of the lateral movement direction 24. This means that the deformable element can deform or move between the layers 32a and 32b.
Eine Resonanzfrequenz einer Kavität oder Teilkavität kann von einer Geometrie des Volumens, von einer Frequenz einer Ansteuerung der elektromechanischen Wandler und/oder von einer mechanischen Resonanzfrequenz des oder der verformbaren Elemente beeinflusst sein. Von einander zumindest teilweise fluidisch getrennte (Teil-)Kavitäten, etwa mittels einer Wandstruktur 49, einer Anordnung einer reibungsarmen Schicht, oder basierend auf einer Anordnung in verschiedenen MEMS-Wandlern können verschiedene Resonanzfrequenzen aufweisen und/oder mit verschiedenen Frequenzen angesteuert werden, etwa mittels einer Steuervorrichtung. Basierend auf verschiedenen Ansteuerfrequenzen und/oder verschiedenen Resonanzfrequenzen kann ein Mehr-Wege- Lautsprecher erhalten werden. Resonanzfrequenzen von Kavitäten werden bspw. im Bereich der Hohiraumresonatoren oder He!mholtz-Resonatoren genutzt. Fig. 2c zeigt eine schematische perspektivische Ansicht des ME S-Wandlers 20, bei dem die elektromechanischen Wandler 18a-f einen verformten Zustand des verformbaren Elements aufweisen. Beispielsweise sind die verformbaren Elemente bis zu einer maxi- malen Auslenkung ausgelenkt. Verglichen mit der Darstellung der Fig. 2a ist ein Volumen der Teilkavität 42a basierend auf der Verformung (Verbiegung) der verformbaren Elemente (Balken) verringert. Ist beispielsweise eine Dicke (Abmessung entlang der z-Richtung oder Dickenrichtung) der Schichten 34a und 34b (Abstandshalter) gering, kann bei einer Bewegung der elektromechanischen Wandler 18a-f eine Umströmung der elektromecha- nischen Wandler 18a-f bzw. der verformbaren Elemente vernachlässigbar sein. Dies kann ebenfalls für einen Abstand zwischen dem elektromechanischen Wandler 18a-f und dem Substrat, beispielsweise dem Element 48, gelten. Basierend auf der Verformung des verformbaren Elements kann ein Volumen des Fluids, beispielsweise ein Luftvolumen, das der Volumendifferenz der Teilkavitäten 42a in den Fig. 2a und 2c entsprechen kann, an eine Umgebung des MEMS-Wandlers 20 abgegeben werden, etwa in Form des Flu- idstroms (Volumenstroms) 12. A resonant frequency of a cavity or partial cavity may be affected by a geometry of the volume, by a frequency of driving the electromechanical transducers and / or by a mechanical resonance frequency of the deformable element (s). At least partially fluidly isolated (partial) cavities, for example by means of a wall structure 49, an arrangement of a low-friction layer, or based on an arrangement in different MEMS converters can have different resonance frequencies and / or be driven with different frequencies, for example by means of a control device. Based on different drive frequencies and / or different resonance frequencies, a multi-way speaker can be obtained. Resonant frequencies of cavities are used, for example, in the region of the cavity resonators or resonant cavities. Figure 2c shows a schematic perspective view of the ME S transducer 20 in which the electromechanical transducers 18a-f have a deformed state of the deformable element. For example, the deformable elements are deflected up to a maximum deflection. Compared to the illustration of Fig. 2a, a volume of the subcavity 42a is reduced based on the deformation (warp) of the deformable elements (beams). If, for example, a thickness (dimension along the z-direction or thickness direction) of the layers 34a and 34b (spacers) is low, flow of the electromechanical transducers 18a-f or the deformable elements can be negligible when the electromechanical transducers 18a-f move be. This may also apply to a distance between the electromechanical transducer 18a-f and the substrate, for example the element 48. Based on the deformation of the deformable element, a volume of the fluid, for example an air volume which may correspond to the volume difference of the partial cavities 42a in FIGS. 2a and 2c, can be delivered to an environment of the MEMS converter 20, for example in the form of the fluid. idstrom (volume flow) 12.
Eine Abmessung der Abstandsschicht 34a oder 34b entlang der z-Richtung, entlang der die erste und zweite Abstandsschicht 34a und 34b an der Zwischenschicht 36 angeordnet sind, kann einen Wert in einem Bereich von zumindest 1 nm und höchstens 1 mm, bevorzugt in einem Bereich von zumindest 20 nm und höchstens 100 pm oder besonders bevorzugt in einem Bereich von zumindest 50 nm und höchstens 1 pm aufweisen. Ist beispielsweise die Abmessung der Abstandsschichten 34a und 34b gering gegenüber einer Abmessung der elektromechanischen Wandler 18a-f entlang der z-Richtung, so kann ein Ausmaß des Fluidstroms 57, der den elektromechanischen Wandler 18a-f von einer ersten Seite zu einer zweiten Seite (beispielsweise von einer positiven x-Richtung zu einer negativen x-Richtung oder andersherum) umströmt, während das verformbare Element sich verformt, kleiner sein als ein Ausmaß des Volumenstroms 12 in der Kavität. Die Umströmung bzw. der Fluidstrom 57 kann beispielsweise basieren auf einer zumindest teilweisen Entfernung der Abstandsschichten 34a und/oder 34b in einem Bereich, in dem sich der elektromechanische Wandler 18a-f bewegt, resultieren. Vereinfacht ausgedrückt kann basierend auf dem Abstand zwischen dem elektromechanischen Wandler und benachbarten Schichten ein Fluidstrom um bewegliche Elemente herum resultieren (fluidische Verluste). Diese können verglichen mit dem Fluidstrom 12 gering sein. Bei- spielsweise können sie kleiner sein als das Ausmaß des Volumensiroms dividiert durch den Wert 10, dividiert durch den Wert 15 oder dividiert durch den Wert 20. A dimension of the spacer layer 34a or 34b along the z-direction along which the first and second spacer layers 34a and 34b are disposed on the intermediate layer 36 may have a value in a range of at least 1 nm and at most 1 mm, preferably in a range of at least 20 nm and at most 100 pm or more preferably in a range of at least 50 nm and at most 1 pm. For example, if the dimension of the spacer layers 34a and 34b is small relative to a dimension of the electromechanical transducers 18a-f along the z-direction, then an amount of the fluid stream 57 that drives the electromechanical transducer 18a-f from a first side to a second side (e.g. from a positive x-direction to a negative x-direction or vice versa) flows around while the deformable element deforms, being smaller than an amount of the volume flow 12 in the cavity. The flow stream 57 may be based, for example, based on at least partial removal of the spacer layers 34a and / or 34b in a region in which the electromechanical transducer 18a-f is moving. In simple terms, based on the distance between the electromechanical transducer and adjacent layers, fluid flow around movable elements may result (fluidic losses). These may be low compared to the fluid stream 12. examples For example, they may be less than the volume of volume divided by the value of 10, divided by the value of 15, or divided by the value of 20.
Die elektromechanischen Wandler können sich paarweise auf einander zu und von ei- nander wegbewegen. So können sich bspw. die elektromechanischen Wandler 18a und 18b gegenüber dem Zustand in Fig. 2b paarweise von einander weg bewegen und in einem nachfolgenden Zeitintervali paarweise auf einander zu bewegen. Gleichzeitig können sich bspw. die elektromechanischen Wandler 18b und 18c paarweise auf einander zu oder von einander weg bewegen. Eine derartige jeweils paarweise komplementäre Bewe- gung von elektromechanischen Wandlern, die auch dann möglich ist, wenn die Wandler nicht benachbart zu einander angeordnet sind, kann eine zumindest teilweise aber auch vollständige Kompensation von Inertialkräften ergeben, so dass ein geringes Maß an Vibrationen oder keine Vibrationen in dem MEMS-Wandler erhalten wird bzw. vom MEMS- Wandler an die Umgebung übertragen wird. The electromechanical transducers can move in pairs towards and away from each other. For example, the electromechanical transducers 18a and 18b can move away from each other in pairs relative to the state in FIG. 2b and move in pairs in a subsequent time interval. At the same time, for example, the electromechanical transducers 18b and 18c may move in pairs toward or away from each other. Such a pairwise complementary movement of electromechanical transducers, which is possible even when the transducers are not arranged adjacent to one another, can result in an at least partial but also complete compensation of inertial forces, so that a small amount of vibration or no vibrations is received in the MEMS converter or is transmitted from the MEMS converter to the environment.
In anderen Worten kann es ein besonderes Merkmal des bisher beschriebene Kammeransatzes darstellen, dass sich die Aktoren paarweise stets gegenläufig aufeinander zu bzw. weg bewegen. Es entstehen also (bei entsprechend sorgfältiger Auslegung der beiden jede Kammerwand begrenzenden aktiven Biegeaktoren) keine Vibrationen, die z. B. beim Einsatz als Hörgerät oder In-Ear-Kopfhörer (Im-Ohr-Kopfhörer) störend sein würden. In other words, it may be a special feature of the chamber approach described so far that the actuators always move in opposite directions to and fro in pairs. Thus arise (with corresponding careful design of the two each chamber wall limiting active bending actuators) no vibrations z. B. when used as a hearing aid or in-ear headphones (in-ear headphones) would be annoying.
Der Fluidstrom 12 kann beispielsweise die Öffnung 26a und/oder 26b passieren. Die Öffnungen 26a und 26b können gleich ausgebildet sein oder an eine Geometrie der benachbarten Teilkavität 38a bzw. 42a angepasst sein. Die Öffnung 26a kann bspw. entlang ei- ner axialen Richtung (etwa die y-Richtung) einen veränderlichen Ouerschnitt aufweisen, etwa eine Abmessung entlang der x-Richtung. Die Abmessung der Öffnung 26b entlang der x-Richtung kann in eine Richtung hin zu einem Inneren des MEMS-Wandlers 20, d. h. hin zu der Kavität oder Teilkavität 42a abnehmen. Alternativ oder zusätzlich kann die Öffnung 26 entlang einer weiteren Richtung, etwa einer z-Richtung (Dickenrichtung) senk- recht zu der axialen Richtung y eine veränderliche Abmessung oder einen veränderlichen Ouerschnitt aufweisen. Der veränderliche Ouerschnitt kann von einer Außenseite des MEMS-Wandlers 20 in eine Richtung hin zu der Kavität 16 abnehmen. Ein sich verjüngender Querschnitt oder eine sich verringernde Abmessung der Öffnung 26 von der Außenseite des MEMS-Wandlers 20 in Richtung der Kavität 16 entlang einer oder mehrerer Richtungen x und/oder z kann als trichterförmige Öffnung bezeichnet werden. Die ggf. trichterförmige Öffnung 26b kann als Vorrichtung zur Impedanzanpassung nutzbar sein. Eine Impedanzanpassung kann beispielsweise bei einer Verwendung des MEMS-Wandlers 20 als Lautsprecher vorteilhaft sein. Eine Ausgestaltung oder Geometrie der Öffnung 26b kann analog zu makroskopischen Lautsprechern mit Abmessungen von mehreren Zentimetern ausgeführt sein. Eine Form der Öffnung 26b kann ermöglichen, dass die eigentliche Schallabstrahlung durch die äußere Fläche des Trichters definiert ist. Die Öffnung 26b kann beispielsweise durchgängig in den strukturierten Schichten 34a, 36 und 34b gebildet sein. Ein Stabgitter 54, das zumindest ein Stabelement 44 umfasst, kann Öffnungen bzw. Zwischenräume zwischen Stabelementen 44 und/oder zwischen Sta- belementen 44 und dem benachbarten Substrat aufweisen. Die Zwischenräume können so gebildet sein, dass das Fluid durch sie hindurch strömen kann. The fluid flow 12 may, for example, pass through the opening 26a and / or 26b. The openings 26a and 26b may be formed the same or adapted to a geometry of the adjacent Teilkavität 38a and 42a. The opening 26a may, for example, along a axial direction (about the y-direction) have a variable Ouerschnitt, about a dimension along the x-direction. The dimension of the opening 26b along the x-direction may decrease in a direction toward an interior of the MEMS transducer 20, ie towards the cavity or sub-cavity 42a. Alternatively or additionally, the opening 26 along a further direction, such as a z-direction (thickness direction) perpendicular to the axial direction y have a variable dimension or a variable Ouerschnitt. The variable cross-section may decrease from an outside of the MEMS transducer 20 in a direction toward the cavity 16. A tapered cross-section or diminutive dimension of the opening 26 from the exterior of the MEMS transducer 20 toward the cavity 16 along one or more directions x and / or z may be referred to as a funnel-shaped opening. The optionally funnel-shaped opening 26b can be used as a device for impedance matching. An impedance matching may be advantageous, for example, when using the MEMS converter 20 as a loudspeaker. An embodiment or geometry of the opening 26b may be carried out analogously to macroscopic speakers with dimensions of several centimeters. A shape of the opening 26b may allow the actual sound radiation to be defined by the outer surface of the funnel. The opening 26b may, for example, be formed continuously in the structured layers 34a, 36 and 34b. A bar grating 54, which comprises at least one bar element 44, may have openings or gaps between bar elements 44 and / or between bar elements 44 and the adjacent substrate. The gaps may be formed so that the fluid can flow through them.
Das Stabgitter 54 kann einen Schutz gegen ein Eindringen von Partikeln in die Kavität des MEMS-Wandlers 20 darstellen. Eine Breite der Öffnungen des Stabgitters 54, d. h. ein Abstand zwischen Stabelementen 44, kann so ausgeführt sein, dass der Fluidstrom 12 strömungstechnisch in einem gewünschten Maß beeinflusst oder unbeeinflusst ist. Beispielsweise oder idealerweise kann der Abstand zwischen den Stabelementen 44 kleiner sein als kleinste Spaltabstände im MEMS-Wandler 20, so dass das Stabgitter eine hohe Anzahl von oder gar alle relevanten Partikel filtern kann. Ein Spaltabstand kann bspw. einen Abstand eines verformbaren Elementes 18a-c zu einer Schicht 32a oder 32b beschreiben. Der Abstand zwischen den Stabelementen 44 kann beispielsweise geringer sein als 5 pm, als 1 pm, als 0, 1 pm oder 0,05 pm. The bar grating 54 may provide protection against particle penetration into the cavity of the MEMS transducer 20. A width of the openings of the bar grating 54, d. H. a distance between rod elements 44, can be designed so that the fluid flow 12 is fluidically influenced to a desired degree or is unaffected. For example, or ideally, the distance between the rod elements 44 may be smaller than the smallest gap distances in the MEMS converter 20, so that the rod grid can filter a large number of or even all relevant particles. For example, a gap distance may describe a distance of a deformable element 18a-c to a layer 32a or 32b. The distance between the rod elements 44 may for example be less than 5 pm, than 1 pm, as 0, 1 pm or 0.05 pm.
Abmessungen der Stabelemente 44 entlang der Raumrichtungen können so implemen- tiert sein, dass die Stabelemente 44 keine Resonanzen im Hörschallbereich, d. h. in einem Frequenzbereich von zumindest 16 Hz und höchstens 22 KHz aufweisen. Obwohl die Stabelemente 44 so dargestellt sind, dass sie an einer Außenseite des MEMS- Wandlers 20 angeordnet sind, etwa in einem Bereich, an dem die Öffnung 26a oder 26b eine maximale Abmessung entlang der x-Richtung aufweist, können ein oder mehrere Stabelemente auch an einer anderen Stelle der Öffnung 26a oder 26b angeordnet sein, etwa in einem verjüngten Bereich der Öffnung 26a bzw. 26b. Dimensions of the rod elements 44 along the spatial directions can be implemented in such a way that the rod elements 44 do not produce any resonances in the area of the audible sound, i. H. in a frequency range of at least 16 Hz and at most 22 KHz. Although the rod members 44 are illustrated as being disposed on an outer side of the MEMS transducer 20, such as in a region where the opening 26a or 26b has a maximum dimension along the x direction, one or more rod members may also be attached another location of the opening 26a or 26b, for example in a tapered region of the opening 26a or 26b.
Durch die Verformung der verformbaren Elemente kann das Volumen einer Teilkavität 42a verringert werden. Während eines gleichen Zeitintervalls kann sich ein Volumen der Kammer (Teilkavität) 38a erhöhen. Die Teilkavität 38a kann in gleicher oder ähnlicher Weise wie die Teilkavität 42a über eine trichterförmige Öffnung 26b und/oder ein Stabgit- ter 54 umfassend ein oder mehrere Stabelemente 44 mit der Umgebung des MEMS- Wandlers 20 verbunden sein. Elektromechanische Wandler 18a-f können ausgebildet sein, um mit einer von einander verschiedenen Frequenz angesteuert zu werden oder eine von einander verschiedene Resonanzfrequenz aufweisen. Ein Volumen einer jeden Teilkavität kann sich mit einer von einander verschiedenen Frequenz oder mit zumindest teilweise gleichen Frequenzen ändern. By the deformation of the deformable elements, the volume of a Teilkavität 42 a can be reduced. During a same time interval, a volume of the chamber (subcavity) 38a may increase. The subcavity 38a can, in the same or a similar manner as the subcavity 42a, be provided via a funnel-shaped opening 26b and / or a bar grate. ter 54 comprising one or more rod elements 44 to be connected to the environment of the MEMS converter 20. Electromechanical transducers 18a-f may be configured to be driven at a frequency different from each other or to have a resonance frequency different from each other. A volume of each subcavity may vary at a different frequency or at least partially equal frequencies.
Die Öffnung 26a und die Öffnung 26b können an oder in einander entgegengesetzt im Raum angeordneten Seiten des ME S-Wandlers 20 angeordnet sein. Bspw. kann auf jeweils einer Seite, die die Öffnung 26a oder 26b aufweist, mittels der Teilkavitaten 42a bzw. 38a oder einer Vielzahl derartiger Teilkavitaten der Fluidstrom ausgestoßen 12 oder angesaugt werden kann. Das bedeutet, dass der Fluidströmung 12 in entgegengesetzte Richtungen erzeugbar ist. Beispielsweise kann in einem ersten Zeitintervall der Volumenstrom 12 in eine negative y-Richtung aus der Öffnung 26a ausgestoßen und in die Teil- kavität 38a eingesaugt werden. In einem zweiten Zeitintervall können sich diese Richtungen umkehren. Ein Strömungskurzschluss entlang des MEMS-Wandlers 20 kann so verhindert oder ausgeschlossen werden. The opening 26a and the opening 26b may be disposed on or in opposite sides of the ME S converter 20 in space. For example. For example, on each side having the opening 26a or 26b, the fluid stream may be ejected 12 or sucked in by means of the partial cavities 42a or 38a or a plurality of such partial cavities. This means that the fluid flow 12 can be generated in opposite directions. For example, in a first time interval, the volume flow 12 can be expelled from the opening 26a in a negative y-direction and be sucked into the sub-cavity 38a. In a second time interval these directions can be reversed. A current short circuit along the MEMS converter 20 can thus be prevented or excluded.
Die verformbaren Elemente (Balken) der elektromechanischen Wandler 18a-f können ausgebildet sein, um sich gemäß einem von außen zugeführten Signal zu verkrümmen. Eine Frequenz, mit der die Verkrümmung erfolgt, kann eine Frequenz, mit der der Volumenstrom 12 generiert wird und/oder oszilliert und mithin eine Schallfrequenz beeinflussen oder bestimmen. Eine über das zugeführte Signal bestimmte Amplitude der Schwingung kann bei einer oder mehreren (Resonanz-Frequenzen) eine Amplitude des Volu- menstroms 12 beeinflussen oder bestimmen und mithin Auswirkungen auf den Schallpegel haben. The deformable elements (beams) of the electromechanical transducers 18a-f may be configured to warp in accordance with an externally applied signal. A frequency with which the curvature takes place can be a frequency with which the volume flow 12 is generated and / or oscillates and thus influence or determine a sound frequency. An amplitude of the oscillation determined via the supplied signal can influence or determine an amplitude of the volume flow 12 at one or more (resonance frequencies) and consequently have an effect on the sound level.
Ebenfalls kann mindestens eine Kammer (Kavität oder Teilkavität) als sensorisches Element fungieren und eine andere Kammer als aktorisches Element fungieren. Das bedeu- tet dass der MEMS-Wandler zumindest ein sensorisches und zumindest ein aktorisches verformbares Element umfassen kann. Die Bewegung der Balken wird detektiert und ausgewertet. So können bspw. die elektromechanischen Wandler 18a und 18b als Aktoren angesteuert werden, während die elektromechanischen Wandler 18c und/oder 18d als Sensoren zur Detektion innerhalb des Fluids genutzt werden können. Zur Detektion kön- nen elektrostatische (kapazitive), piezoelektrische oder piezoresistive Sensorelemente integriert sein. Ein solches Element kann als Mikrofon bzw. Drucksensor eingesetzt wer- den. Ein solches integriertes Mikrofon bzw. ein solcher Drucksensor kann auch für die Kontrolle und Steuerung der Eigenschaften der Lautsprecherkammem (Aktoren) bzw. Ultraschallsenderkammer bzw. Pumpenkammer eingesetzt werden. Dazu ist eine entsprechende Elektronik als Steuerkreis/Kontrollkreis einzusetzen. Also, at least one chamber (cavity or Teilkavität) act as a sensory element and another chamber act as an actuator element. This means that the MEMS converter can comprise at least one sensory and at least one actuatoric deformable element. The movement of the bars is detected and evaluated. Thus, for example, the electromechanical transducers 18a and 18b can be actuated as actuators, while the electromechanical transducers 18c and / or 18d can be used as sensors for detection within the fluid. For detection electrostatic (capacitive), piezoelectric or piezoresistive sensor elements can be integrated. Such an element can be used as a microphone or pressure sensor. the. Such an integrated microphone or such a pressure sensor can also be used for controlling and controlling the characteristics of the loudspeaker chambers (actuators) or ultrasound transmitter chamber or pump chamber. For this purpose, a corresponding electronics as control circuit / control circuit is used.
Nachfolgend werden weitere Ausführungsbeispiele für die elektromechanischen Wandler bzw. Aktoren erläutert. Obwohl der MEMS-Wandler 20 so beschrieben wurde, dass ein unausgelenkter bzw. nicht-aktuierter Zustand unausgelenkte verformbare Elemente aufweist, können die Zustände auch wechselseitig vertauschbar sein. Das bedeutet, dass in einem ersten, unaktuierten Zustand, die verformbaren Elemente verformt oder gekrümmt sein können und sich basierend auf einem Ansteuersignal in einen weniger gekrümmten, stärker gekrümmten oder geraden Zustand verformen können. Hereinafter, further embodiments of the electromechanical transducer or actuators will be explained. Although the MEMS transducer 20 has been described as having an undeflected state with undetachable deformable elements, the states may also be mutually interchangeable. That is, in a first, unactuated state, the deformable elements may be deformed or curved and may deform to a less curved, more curved, or even state based on a drive signal.
Obwohl obige Ausführungen erläutern, dass ein elektrisches Signal an den MEMS- Wandler 20 herangeführt wird, etwa von einer Steuervorrichtung, kann auch der Volumenstrom 12 zu einer Verformung der verformbaren Elemente führen, wobei die Verformung mittels eines elektrischen Signals an dem MEMS-Wandler 20 erhalten werden kann, d. h. der MEMS-Wandler 20 ist auch als Sensor konfigurierbar. Nachfolgend wird Bezug genommen auf vorteilhafte Weiterbildungen des verformbaren Elements. Einer oder mehrere elektromechanische Wandler können verformbare Elemente gemäß den nachfolgend beschriebenen Weiterbildungen aufweisen. Although the above explanations explain that an electrical signal is applied to the MEMS converter 20, such as from a control device, the volumetric flow 12 may also lead to deformation of the deformable elements, wherein the deformation is obtained by means of an electrical signal at the MEMS converter 20 can be, d. H. the MEMS converter 20 is also configurable as a sensor. In the following, reference will be made to advantageous developments of the deformable element. One or more electromechanical transducers may comprise deformable elements according to the developments described below.
Fig. 3 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht eines verformbaren Elements 30, das als Bimorph ausgeführt ist. Das verformbare Element 30 weist eine erste Schicht 56 und eine zweite Schicht 58 auf, die zumindest stellenweise, vorteilhafterweise ganzflächig, fest miteinander verbunden sind. Die erste Schicht 56 und die zweite Schicht 58 sind ausgebildet, um sich basierend auf einem mechanischen, physikalischen oder chemischen Einfluss unterschiedlich stark zu verformen, etwa auszudehnen oder zu kontrahie- ren. Beispielsweise können die Schichten 56 und 58 voneinander verschiedene thermische Ausdehnungskoeffizienten aufweisen. Alternativ oder zusätzlich kann die Schicht 56 oder die Schicht 58 ausgebildet sein, um sich basierend auf einem elektrischen Signal, das an die entsprechende Schicht geführt wird, auszudehnen oder zu kontrahieren. Beispielsweise kann diese Schicht Piezomaterialien aufweisen. Voneinander verschiedene Kontraktionen oder Ausdehnungen der Schichten 56 und 58 können zu einer Verformung des verformbaren Elements 30 entlang einer Aktuierungs- richtung 59 oder 59' führen. Die Aktuierungsrichtung kann parallel zu der lateralen Bewegungsrichtung 24 angeordnet sein. Die Aktuierungsrichtung kann eine Richtung sein, ent- lang der das verformbare Element 30 durch Anlegen einer positiven elektrischen Spannung auslenkbar ist. Fig. 3 shows a schematic perspective view of a deformable element 30, which is designed as a bimorph. The deformable element 30 has a first layer 56 and a second layer 58, which are at least in places, advantageously over the entire surface, firmly connected to each other. The first layer 56 and the second layer 58 are designed to deform differently, for example expand or contract, based on a mechanical, physical or chemical influence. For example, the layers 56 and 58 may have mutually different thermal expansion coefficients. Alternatively, or additionally, the layer 56 or layer 58 may be configured to expand or contract based on an electrical signal applied to the corresponding layer. For example, this layer may comprise piezoelectric materials. Mutually different contractions or extensions of the layers 56 and 58 may result in deformation of the deformable element 30 along an actuation direction 59 or 59 '. The actuation direction can be arranged parallel to the lateral movement direction 24. The actuation direction can be a direction along which the deformable element 30 can be deflected by applying a positive electrical voltage.
Alternativ oder zusätzlich kann auch eine Verformung entlang einer weiteren lateralen Bewegungsrichtung 24' nutzbar sein, die beispielsweise basierend auf einer Querkontrak- tion oder Querexpansion des verformbaren Elements 30 bzw. der Kontraktion oder Expansion einer der Schichten basiert. Das bedeutet, dass das verformbare Element 30 ausgebildet sein kann, um sich mit seiner Balkenstruktur entlang einer axialen Richtung (etwa die y-Richtung bzw. in-plane) der Balkenstruktur zu verkrümmen. Dies kann basierend auf einer Hin- und Her-Bewegung erfolgen, also entlang der lateralen Bewegungs- richtung 24 und entlang einer entgegengesetzten Richtung. Alternatively or additionally, it is also possible to utilize a deformation along a further lateral movement direction 24 ', which is based for example on the basis of a transverse contraction or transverse expansion of the deformable element 30 or the contraction or expansion of one of the layers. That is, the deformable member 30 may be formed to curl with its beam structure along an axial direction (such as the y-direction) of the beam structure. This can be done based on a back-and-forth movement, ie along the lateral movement direction 24 and along an opposite direction.
In anderen Worten kann der Bimorph einem Balken entsprechen, der aus zwei Schichten besteht. Die Schichten sind beispielsweise in einer Richtung (beispielsweise vertikal) zueinander angeordnet. Eine passive Schicht (beispielsweise die Schicht 56) kann mit einer aktiven Schicht (beispielsweise die Schicht 58) fest verbunden sein. Durch Anlegen eines geeigneten Signals kann in der aktiven Schicht 58 eine mechanische Spannung generiert werden, welche zur Kontraktion oder Expansion der Schicht 58 führt. Eine Richtung der Längenänderung der Schicht 58 kann so gewählt werden, dass sich der Bimorph lateral in die eine (Kontraktion) oder andere (Expansion) Richtung verbiegt. In other words, the bimorph can correspond to a bar consisting of two layers. The layers are arranged, for example, in one direction (for example, vertically) to each other. A passive layer (eg, layer 56) may be firmly bonded to an active layer (eg, layer 58). By applying a suitable signal, a mechanical stress can be generated in the active layer 58, which leads to the contraction or expansion of the layer 58. A direction of change in length of the layer 58 may be selected so that the bimorph bends laterally in one (contraction) or other (expansion) direction.
Fig. 4a zeigt eine schematische perspektivische Ansicht eines verformbaren Elements 40, das drei Bimorphstrukturen 30a-c aufweist, wie sie im Zusammenhang mit Fig. 3 beschrieben sind. Eine schematische Anordnung des verformbaren Elements 40 im Raum entlang der x-, y- und z-Richtung ist beispielhaft (jedoch nicht einschränkend) so darge- stellt, wie das verformbare Element 40 beispielsweise in dem EMS-Wandler 10 oder 20 angeordnet werden kann. Die verformbaren (Teil-)Elemente 30a-c können voneinander verschiedene Abmessungen aufweisen, beispielsweise entlang der x,- y- oder z-Richtung. Beispielsweise können die verformbaren Elemente 30a und 30c eine gleiche Ausdehnung entlang der y-Richtung aufweisen. Die Aktuierungsrichtungen 59a-c der verformbaren Elemente 30a-c kann bspw. alternierend oder eine wechselseitige Ausrichtung aufweisend angeordnet sein, bspw. in positiver/negativer/positiver x-Richtung. Vereinfacht kann dies so verstanden werden, dass die verformbaren Elemente 30a und 30c eine gleiche Länge aufweisen. Das verformbare Element 30b kann eine hiervon verschiedene Länge aufweisen. Beispielsweise kann eine Länge des verformbaren Elements 30b doppelt so lang sein wie die vergleichbare Länge des Elements 30a oder 30c. Zwischen den ver- formbaren Elementen 30a-c können gemäß weiterer Ausführungsbeispiele auch weitere Elemente angeordnet sein, beispielsweise Federelemente. FIG. 4a shows a schematic perspective view of a deformable element 40, which has three bimorph structures 30a-c, as described in connection with FIG. A schematic arrangement of the deformable element 40 in space along the x, y, and z directions is illustrated by way of example (but not limitation) as the deformable element 40 may be disposed in the EMS transducer 10 or 20, for example. The deformable (sub) elements 30a-c may have different dimensions from one another, for example along the x, -y or z-direction. For example, the deformable elements 30a and 30c may have an equal extent along the y-direction. The actuation directions 59a-c of the deformable elements 30a-c may, for example, be arranged alternating or having a mutual orientation, for example in the positive / negative / positive x direction. Simplified be understood that the deformable elements 30a and 30c have an equal length. The deformable member 30b may have a different length. For example, a length of the deformable element 30b may be twice as long as the comparable length of the element 30a or 30c. Between the deformable elements 30a-c further elements may also be arranged according to further exemplary embodiments, for example spring elements.
Eine Richtung, entlang der sich die verformbaren Elemente 30a-c beim Anlegen einer gleichen oder vergleichbaren Größe (etwa ein Vorzeichen einer elektrischen Spannung) auslenken, kann entlang der Länge des verformbaren Elements 40 alternierend sein. Dies ermöglicht einen alternierenden Krümmungsverlauf. Obwohl das verformbare Element 40 so dargestellt ist, dass es drei verformbare Elemente 30a-c umfasst, können zwei verformbare Elemente oder mehr als drei verformbare Elemente 30 angeordnet sein. Fig. 4b zeigt eine schematische perspektivische Ansicht des verformbaren Elements 40 in einem ausgelenkten Zustand. Die Schichten 58a-c sind beispielsweise kontrahiert, so dass entlang eines axialen Verlaufs (y-Richtung) eine Mehrfachkrümmung resultiert. A direction along which the deformable elements 30a-c deflect upon application of an equal or comparable magnitude (such as an electrical voltage sign) may be alternating along the length of the deformable element 40. This allows an alternating curvature course. Although the deformable member 40 is illustrated as comprising three deformable members 30a-c, two deformable members or more than three deformable members 30 may be disposed. 4b shows a schematic perspective view of the deformable element 40 in a deflected state. The layers 58a-c are, for example, contracted so that a multiple curvature results along an axial course (y-direction).
In anderen Worten können drei in Fig. 3 dargestellte Balken in Richtung ihrer Ausdehnung aneinandergesetzt angeordnet sein. Dies kann so erfolgen, dass ein erster Balken und ein dritter Balken (30a und 30c) bei entsprechendem Signal eine Krümmung in eine erste Richtung und der zweite Baiken (30b) eine Krümmung in die andere Richtung aufweist. So kann ein Aktor erhalten werden, der ausgehend von seiner gestreckten Form, wie sie in Fig. 4a dargestellt ist, ohne anliegendes Signal sich mit einem entsprechenden Signal S-artig verformt, wie es in Fig. 4b dargestellt ist. Die Konfiguration mit Signa! und ohne Signal ist wechselseitig vertauschbar. So können die verformbaren Elemente 30 beispielsweise eine Vorauslenkung oder Vorspannung aufweisen, die basierend auf dem anliegenden Signal hin zu einer reduzierten Krümmung oder geraden Erstreckung des verformbaren Elements 30 und/oder 40 führt. Beispielsweise kann angenommen werden, dass die Krümmungen der einzelnen Balken 30a-c bis auf das Vorzeichen identisch sind und eine Länge des ersten und dritten Balkens 30a und 30c jeweils in etwa einem Viertel einer Gesamtlänge des verformbaren Elements entspricht und wobei eine Länge des mittleren Balkens 30b in etwa einer Hälfte der Länge des verformbaren Elements 40 entspricht. Fig. 4c zeigt eine schematische Aufsicht auf eine Anordnung zweier beidseitig eingespannter verformbarer Elemente 40a und 40b, die benachbart zueinander angeordnet sind, so dass zwischen den verformbaren Elementen die Teilkavität 38 angeordnet ist. Die durchgezogenen Linien zeigen bspw. einen aktuierten Zustand der verformbaren Elemen- te 40a und 40b während die gestrichelten Linien einen unaktuierten Zustand zeigen, wobei diese Beschreibung der verformbaren Elemente wechselseitig vertauschbar ist, da der unaktuierte Zustand durch die Herstellung beliebige Form annehmen kann. In other words, three bars shown in Fig. 3 may be arranged juxtaposed in the direction of their extension. This can be done so that a first beam and a third beam (30a and 30c) with a corresponding signal has a curvature in a first direction and the second Baiken (30b) has a curvature in the other direction. Thus, an actuator can be obtained which, starting from its elongated shape, as shown in Fig. 4a, without applied signal S-like deformed with a corresponding signal, as shown in Fig. 4b. The configuration with Signa! and without signal is mutually interchangeable. For example, the deformable elements 30 may include a lead or bias that results in a reduced curvature or straight extension of the deformable member 30 and / or 40 based on the applied signal. For example, it can be assumed that the bends of the individual beams 30a-c are identical except for the sign, and a length of the first and third beams 30a and 30c corresponds to approximately one quarter of an overall length of the deformable element and wherein a length of the middle beam 30b in about one half of the length of the deformable element 40 corresponds. 4c shows a schematic plan view of an arrangement of two deformable elements 40a and 40b clamped on both sides, which are arranged adjacent to one another, so that the partial cavity 38 is arranged between the deformable elements. The solid lines show, for example, an actuated state of the deformable elements 40a and 40b while the dashed lines show an unactuated state, this description of the deformable elements being mutually interchangeable, since the unaktuierte state can take any form through the production.
Die verformbaren Elemente 40a und 40b können so gebildet sein, dass sie in dem unak- tuierten Zustand eine Krümmung aufweisen. Ferner können die verformbaren Elemente 40a und 40b aus drei Segmenten 30a-1 bis 30c- 1 bzw. 30a-2 bis 30c-2 gebildet sein, die eine wechselseitige Krümmung während der Aktuierung ausführen. Jedes Segment, etwa das mittlere Segment 30b-a oder 30b-2 kann auch aus zwei oder mehr Segmenten gebildet sein. Verglichen mit den Darstellungen der Fig. 4a und 4b können die Segmente 30a- 1 , 30b-1 und 30c- 1 zueinander und mit jedem anderen Segment eine von einander verschiedene Länge aufweisen. Die Länge kann an eine gewünschte Form anpassbar sein, die bei einer Aktuierung erhalten werden soli. Die S-förmigen Aktoren besitzen den sehr großen Vorteil, dass mit Ihnen nicht nur ein großer planarer Füllfaktor erreicht werden kann, sondern sie dabei auch zweiseitig eingespannt werden können. Durch die zweisei- tige Einspannung wird eine technologisch nie zu vermeidende Vorauslenkung der Balken aufgrund von Schichtspannungsgradienten sehr deutlich verringert. Damit können die Abstände zum unteren und oberen Deckel des Substrats sehr gering gehalten werden, was die Strömungs-/Druckverluste überproportional verringert und damit die Effizienz von Lautsprechern, Ultraschallwandlern, Mikrophonen und Pumpen nicht nur deutlich erhöht, sondern deren korrekte Funktionsweise unter Umständen erst ermöglicht. Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen kann auch lediglich eines der verformbaren Elemente 40 angeordnet sein, etwa in dem MEMS-Wandler 10. The deformable elements 40a and 40b may be formed to have a curvature in the unactuated state. Further, the deformable members 40a and 40b may be formed of three segments 30a-1 to 30c-1 and 30a-2 to 30c-2, respectively, which perform mutual curvature during the actuation. Each segment, such as the middle segment 30b-a or 30b-2 may also be formed of two or more segments. Compared with the representations of FIGS. 4a and 4b, the segments 30a-1, 30b-1 and 30c-1 may have a different length to each other and to each other segment. The length may be adaptable to a desired shape to be obtained upon actuation. The S-shaped actuators have the great advantage that not only a large planar filling factor can be achieved with them, but they can also be clamped on two sides. Due to the double-sided clamping, a technically unavoidable deflection of the beams due to stress gradients is significantly reduced. Thus, the distances to the lower and upper lid of the substrate can be kept very low, which reduces the flow / pressure losses disproportionately and thus not only significantly increases the efficiency of speakers, ultrasonic transducers, microphones and pumps, but their proper functioning only possible. According to further embodiments, only one of the deformable elements 40 may also be arranged, for example in the MEMS converter 10.
Fig. 5 zeigt eine schematische Aufsicht auf einen MEMS-Wandler 50, bei dem die elekt- romechanischen Wandler 18a-c verglichen mit dem MEMS-Wandler 20 eine veränderte Konfiguration aufweisen. Die elektromechanischen Wandler 18a-c umfassen jeweils ein erstes und ein zweites verformbares Element 22a und 22b, 22c und 22d bzw. 22e und 22f. Die verformbaren Elemente sind einander gegenüberliegend angeordnet. Auslenkbare Enden der Balkenelemente sind einander zugewandt angeordnet. Bereiche, an denen die verformbaren Elemente 22a-f mit dem Substrat verbunden sind, sind einander abgewandt angeordnet. Die elektromechanischen Wandler 18a-c umfassen jeweils ein Plattenelement 62a-c, das mit den jeweiligen verformbaren Elementen 22a und 22b, 22c und 22d bzw. 22e und 22f verbunden ist. Das jeweilige Plattenelement 62a-c kann mit den auslenkbaren Enden der jeweiligen verformbaren Elemente 22a-f verbunden sein. 5 shows a schematic plan view of a MEMS converter 50, in which the electromechanical converters 18a-c have a changed configuration compared to the MEMS converter 20. The electromechanical transducers 18a-c each include first and second deformable members 22a and 22b, 22c and 22d and 22e and 22f, respectively. The deformable elements are arranged opposite one another. Deflectable ends of the beam elements are arranged facing each other. Areas where the deformable elements 22a-f are connected to the substrate are arranged facing away from each other. The electromechanical transducers 18a-c each include a plate member 62a-c connected to the respective deformable members 22a and 22b, 22c and 22d and 22e and 22f, respectively. The respective plate member 62a-c may be connected to the deflectable ends of the respective deformable members 22a-f.
Die verformbaren Elemente 22a-f können ganz oder teilweise als verformbares Element 30 oder 40 ausgeführt sein oder eine andere Konfiguration aufweisen. Unterschiedliche Schraffierungen der verformbaren Elemente 22a und 22b, 22c und 22d bzw. 22e und 22f deuten an, dass die Verformung des jeweiligen verformbaren Elements voneinander verschieden ist. Die verformbaren Elemente eines elektromechanischen Wandlers 18a-c können so angeordnet sein, dass diese unabhängig von einer jeweiligen Ausführung des verformbaren Elements 22a-f eine Auslenkung der auslenkbaren Enden entlang einer gleichen Raumrichtung ausführen. The deformable elements 22a-f may be wholly or partially designed as a deformable element 30 or 40 or have a different configuration. Different hatching of the deformable elements 22a and 22b, 22c and 22d and 22e and 22f indicate that the deformation of the respective deformable element is different from each other. The deformable elements of an electromechanical transducer 18a-c may be arranged to perform a deflection of the deflectable ends along a same spatial direction, independently of a respective embodiment of the deformable element 22a-f.
Beispielsweise kann von dem in der Fig. 5 dargestellten unausgelenkten Zustand eine Ansteuerung dazu führen, dass die auslenkbaren Enden der verformbaren Elemente 22a und 22b entlang einer positiven x-Richtung ausgeführt werden. Ferner kann eine Ansteuerung der verformbaren Elemente 22c und 22d bewirken, dass eine Auslenkung der jewei- ligen auslenkbaren Enden entlang einer negativen x-Richtung ausgeführt wird. Dies ermöglicht, dass sich während dieser Ansteuerung die Plattenelemente 62a und 62b aufeinander zubewegen, so dass die Teilkavität 42a basierend auf der Bewegung der Plattenelemente verkleinert wird. Alternativ oder zusätzlich kann ein Unterdruck in der Kavität 42a dazu führen, dass sich die Plattenelemente 62a und 62b aufeinander zubewegen, so dass eine Verformung der verformbaren Elemente 22a-d erhalten wird. Alternativ oder zusätzlich ist ebenfalls vorstellbar, dass ein oder mehrere verformbare Elemente 22a-d elektrisch passiv ausgestaltet sind. Beispielsweise kann an einem oder mehreren Platten- eiementen 62a-c ein elektrisches Potential anlegbar sein, so dass basierend auf einem elektrischen Potential der Plattenelemente 62a und 62b eine anziehende oder abstoßen- de Kraft zwischen den Plattenelementen 62a und 62b erhalten werden kann, die eine Bewegung der Plattenelemente 62a und 62b und mithin eine Verformung der verformbaren Elemente 22a-d bewirkt. Alternativ oder zusätzlich können gleichzeitig oder zeitversetzt die verformbaren Elemente 22c-f und/oder die Plattenelemente 62b und 62c angesteuert werden, um eine Verformung der verformbaren Elemente 22c-f und eine Veränderung des Volumens der Teilkavität 38a zu erhalten. In anderen Worten zeigt Fig. 5 eine Variante der in den Fig. 2a-c dargestellten Konfiguration, bei der für die Verengung bzw. Erweiterung jeder Kammer (Kavitäten 42a und 38a) vier Biegebalken 22a-d bzw. 22c-f eingesetzt werden. Im Zusammenhang mit den Fig. 2a- c ist dies basierend auf jeweils zwei Biegebalken (verformbaren Elementen) beschrieben. Fig. 5 zeigt dabei einen nicht-aktuierten Zustand. Dabei sind der aktuierte und nicht- aktuierte Zustand wechselseitig austauschbar. So kann generell jedes ansteuerbare verformbare Element bei nicht anliegendem Signal verformt sein und seine Verformung signalabhängig verändern, wozu auch das Erreichen eines gestreckten (nicht ausgelenkten) Zustands als Sonderfall gehört. For example, from the undeflected state illustrated in Figure 5, a drive may cause the deflectable ends of the deformable elements 22a and 22b to be made along a positive x-direction. Furthermore, an activation of the deformable elements 22c and 22d can cause a deflection of the respective deflectable ends along a negative x-direction. This allows the plate members 62a and 62b to move toward each other during this drive so that the subcavity 42a is reduced based on the movement of the plate members. Alternatively or additionally, a negative pressure in the cavity 42a may cause the plate members 62a and 62b to move toward each other, so that deformation of the deformable members 22a-d is obtained. Alternatively or additionally, it is also conceivable that one or more deformable elements 22a-d are made electrically passive. For example, an electrical potential may be applied to one or more plate members 62a-c so that an attractive or repulsive force can be obtained between the plate members 62a and 62b based on an electric potential of the plate members 62a and 62b, which movement the plate elements 62a and 62b and thus causes deformation of the deformable elements 22a-d. Alternatively or additionally, the deformable elements 22c-f and / or the plate elements 62b and 62c can be actuated simultaneously or with a time delay in order to obtain a deformation of the deformable elements 22c-f and a change in the volume of the partial cavity 38a. In other words, Fig. 5 shows a variant of the configuration shown in Figs. 2a-c, in which four bending beams 22a-d and 22c-f are used for the narrowing or widening of each chamber (cavities 42a and 38a). In connection with FIGS. 2a-c, this is described based on in each case two bending beams (deformable elements). Fig. 5 shows a non-actuated state. The actuated and non-actuated states are mutually exchangeable. Thus, in general, any controllable deformable element can be deformed when the signal is not present and its signal-dependent change its deformation, including the achievement of a stretched (undeflected) state is a special case.
Vertikal (bspw. entlang der y-Richtung) gegenüberliegende Biegebalken, etwa die verformbaren Elemente 22a und 22b bzw. 22c und 22 d, können jeweils über einen biegbaren Steg umfassend die Elemente 64a und 64b miteinander verbunden sein. In einem Mittenbereich des so erhaltenen Steges kann eine verhältnismäßig steife Verlängerung, das Element 66, angeordnet sein. An diesem kann wiederum das Plattenelement 62b angeordnet sein, das steif oder möglichst steif ausgeführt ist. Bei einem Anlegen eines entsprechenden Signals können sich die Plattenelemente 62a-c parallel aufeinander zu- oder voneinander wegbewegen, um Volumina von Teilkavitäten zu verringern bzw. zu erhöhen. Die parallele Bewegung der Plattenelemente kann ermöglichen, dass das Volu- men der Teilkavität 42a im Grenzfall null beträgt, das bedeutet, die Plattenelemente 62a und 62b berühren sich. Verglichen mit einer Konfiguration, wie sie im Zusammenhang mit den Figuren 2a-c beschrieben ist, kann eine derartige Anordnung einen Volumenstrom des Fluids bereitstellen, der deutlich höher ist als der Volumenstrom des MEMS-Wandlers 20. Bei Verringerung des Volumens der Teilkavität 42a kann das Volumen der Teilkavität 38b entsprechend oder zumindest basierend darauf vergrößert werden. Die Zufuhr des Fluids kann, wie es im Zusammenhang mit dem MEMS-Wandler 20 beschrieben ist, durch eine Öffnung 26a, 26b bzw. 26c erfolgen. Die Elemente 64a und 64b können auch als Federelemente bezeichnet werden. Die verformbaren Elemente (Biegebalken) 22a und 22b können so entworfen sein, dass sie sich bei anliegendem Signal nach rechts (positive x-Richtung) verkrümmen. Die verformbaren Elemente 22c und 22d können so entworfen sein, dass sie sich bei anliegendem Signal nach links (negative x-Richtung) verkrümmen. Beide Balkenarten (Schraffuren der verformbaren Elemente) können so ausgelegt sein, dass sie sich beispielsweise bei einem ersten Signal wie im Zusammenhang mit den Fig. 3 oder 4 verkrümmen und bei einem zweiten Signal in die entgegengesetzte Richtung verkrümmen. In diesem Fall kann sowohl die Verengung als auch die Erweiterung der Kammer (Teilkavität) auf die Ursprungsgröße unabhängig von der mechanischen Rückstellkraft aufgrund der Verbiegung der Balken erreicht werden. Das erste und das zweite Signal können beispielsweise eine positive und eine negative elektrische Spannung sein. Wird beispielsweise die Fig. 3 be- trachtet, können auch die Schichten 56 und 58 jeweils aktive Schichten sein bzw. an der Schicht 56 an einer der Schicht 58 abgewandten Seite eine weitere aktive Schicht angeordnet werden, wobei die beiden aktiven Schichten voneinander separat adressiert werden können, um eine Auslenkung in die eine oder die andere Richtung zu erhalten. Ein Volumen zwischen zwei gegenüberliegenden verformbaren Elementen, etwa die verformbaren Elemente 22c und 22d und dem mit ihnen verbundenen Plattenelement 62b kann sich bei einer Bewegung oder Verformung der Biegebalken ebenfalls ändern. Das Plattenelement 62 kann beispielsweise starr ausgeführt sein, Um einen verbesserten Druckausgleich zu ermöglichen, können die verformbaren Elemente 22c und/oder 22d und/oder verbindende Elemente 64 bzw. 66, die das Plattenelement 62b mit den verformbaren Elementen 22c und 22d verbinden, lokal ausgedünnt oder abgedünnt werden, um einen lokalen Strömungskanal bereitzustellen. Dies kann beispielsweise durch eine zusätzliche Strukturierung oder Ätzung erfolgen. Die verbindenden Elemente 64a, 64b und 66 können in einer T-Anordnung angeordnet sein. Das verbindende Element 66 kann ver- glichen mit den Elementen 64a und 64b eine hohe Steifigkeit aufweisen. Während einer Verformung der verformbaren Elemente 22c und 22d können sich somit bevorzugt die Elemente 64a und 64b verformen, um eine geradlinige Bewegung des jeweiligen Plattenelements zu ermöglichen. Nachfolgend werden anhand der Fig. 6a-e vorteilhafte Ausführungsbeispiele beschrieben, in denen das Plattenelement 62a bzw. 62b mit jeweils gegenüberliegenden verformbaren Elementen 22a und 22b bzw. 22c und 22d verbunden ist. Vertically (eg along the y-direction) bending beam, such as the deformable elements 22a and 22b and 22c and 22d, respectively, may be connected to each other via a bendable web comprising the elements 64a and 64b. In a central region of the web thus obtained, a relatively stiff extension, the element 66, may be arranged. On this turn, the plate member 62b may be arranged, which is designed to be stiff or stiff as possible. Upon application of a corresponding signal, the plate members 62a-c may move toward or away from each other in parallel to reduce or increase volumes of sub-cavities. The parallel movement of the plate members may allow the volume of the subcavity 42a to be, in the limit, zero, that is, the plate members 62a and 62b are in contact. Compared with a configuration as described in connection with FIGS. 2a-c, such an arrangement can provide a volume flow of the fluid which is significantly higher than the volume flow of the MEMS converter 20. When the volume of the partial cavity 42a is reduced, this can be achieved Volume of Teilkavität 38b be increased according to or at least based thereon. The supply of the fluid, as described in connection with the MEMS converter 20, can take place through an opening 26a, 26b or 26c. The elements 64a and 64b may also be referred to as spring elements. The deformable elements (bending beams) 22a and 22b may be designed to warp to the right (positive x direction) when the signal is applied. Deformable elements 22c and 22d may be designed to skew to the left when the signal is applied (negative x-direction). Both types of bars (hatches of the deformable elements) may be designed so that they bend, for example, in a first signal as in connection with Figs. 3 or 4 and warp in the opposite direction at a second signal. In this case can both the constriction and the expansion of the chamber (partial cavity) to the original size regardless of the mechanical restoring force due to the bending of the beams can be achieved. The first and second signals may be, for example, a positive and a negative electrical voltage. If, for example, FIG. 3 is considered, the layers 56 and 58 can also be active layers or a further active layer can be arranged on the layer 56 on a side facing away from the layer 58, the two active layers being addressed separately from one another can to get a deflection in one direction or the other. A volume between two opposing deformable members, such as the deformable members 22c and 22d and the plate member 62b joined thereto, may also change upon movement or deformation of the flexures. For example, the plate member 62 may be rigid. To allow for improved pressure equalization, the deformable members 22c and / or 22d and / or connecting members 64 and 66 connecting the plate member 62b to the deformable members 22c and 22d may be locally thinned or thinned to provide a local flow channel. This can be done, for example, by additional structuring or etching. The connecting elements 64a, 64b and 66 may be arranged in a T-arrangement. The connecting element 66 may have a high rigidity compared to the elements 64a and 64b. Thus, during deformation of the deformable members 22c and 22d, the members 64a and 64b may preferably deform to facilitate rectilinear movement of the respective panel member. In the following, advantageous embodiments will be described with reference to FIGS. 6a-e, in which the plate element 62a or 62b is connected to respective opposing deformable elements 22a and 22b or 22c and 22d.
Obwohl sich nachfolgende Ausführungen auf eine Verbindung der Plattenelemente mit den verformbaren Elementen beziehen, die jeweils gleich ausgestaltet sind, können voneinander verschiedene elektromechanische Wandler und/oder Verbindungen von einzelnen verformbaren Elementen zu einem Plattenelement voneinander verschieden ausgeführt werden. Die nachfolgend beschriebenen Details beschreiben nicht abschließende vorteilhafte Weiterbildungen und können für sich allein oder in Kombination miteinander oder weiteren vorteilhaften Ausführungsformen implementierbar sein. Fig. 6a zeigt eine schematische Aufsicht auf eine Konfiguration, bei der gerade ausgebildete Federelemente 68 zwischen dem Plattenelement 62a bzw. 62b und den verformbaren Elementen 22a und 22b bzw. 22c und 22d angeordnet sind. Die Federelemente 68 können aus einem Material der verformbaren Elemente 22a-d oder einem Material der Plattenelemente 62a oder 62b gebildet sein und/oder einstückig mit einem oder mehreren dieser Elemente gebildet sein. Beispielsweise können die Federelemente 68 einen rechten Winkel zu dem Plattenelementen 62a oder 62b aufweisen. Although subsequent embodiments refer to a compound of the plate members with the deformable elements, which are each configured the same, different electromechanical transducers and / or connections of individual deformable elements to a plate element can be performed different from each other. The details described below do not describe any concluding advantageous developments and may be implementable on their own or in combination with one another or with other advantageous embodiments. 6a shows a schematic plan view of a configuration in which spring elements 68 that have just been formed are arranged between the plate element 62a or 62b and the deformable elements 22a and 22b or 22c and 22d. The spring elements 68 may be formed from a material of the deformable elements 22a-d or a material of the plate elements 62a or 62b and / or be formed integrally with one or more of these elements. For example, the spring members 68 may be at right angles to the plate members 62a or 62b.
Fig. 6b zeigt eine alternative Konfiguration, bei der Federelemente 68' von auslenkbaren Enden der verformbaren Elemente mit einem Winkel α von weniger als 90' , beispielsweise 30 oder 40°, angeordnet sind. Dies ermöglicht einen verglichen mit der Konfiguration der Fig. 6a erhöhten Abstand der Kontaktpunkte an dem Plattenelement 62a, was zu einer verringerten Durchbiegung des Plattenelements 62a während der Bewegung führen kann. Fig. 6b shows an alternative configuration in which spring elements 68 'of deflectable ends of the deformable elements are arranged at an angle α of less than 90', for example 30 or 40 °. This allows for a greater spacing of the contact points on the plate member 62a as compared to the configuration of Figure 6a, which may result in reduced deflection of the plate member 62a during movement.
Fig. 6c zeigt eine Konfiguration, bei der die Federelemente 62a mit einem Winkel α von mehr als 90 ' angeordnet sind. Dies kann beispielsweise zu verringerten Rückstellkräften der Federelemente 68 führen, wenn die Konfiguration, wie sie in Fig. 6a dargestellt ist, vergleichsweise herangezogen wird. Fig. 6c shows a configuration in which the spring elements 62a are arranged at an angle α of more than 90 ' . This can, for example, lead to reduced restoring forces of the spring elements 68, if the configuration, as shown in FIG. 6a, is used comparatively.
Fig. 6d zeigt eine Konfiguration, bei der die Konfiguration aus Fig. 6a dahin gehend modifiziert ist, dass in Bereichen des Substrats 14 benachbart zu denen der elektromechani- sche Wandler 18a angeordnet ist bzw. das jeweilige verformbare Element mit dem Substrat 14 verbunden ist, ein Federelement 72a oder 72b angeordnet ist. FIG. 6 d shows a configuration in which the configuration from FIG. 6 a is modified such that in regions of the substrate 14 adjacent to which the electromechanical transducer 18 a is arranged or the respective deformable element is connected to the substrate 14, a spring element 72a or 72b is arranged.
Das Federelement 72a und/oder 72b kann beispielsweise durch eine Aussparung (Hohlraum) 74a bzw. 74b in dem Substrat 14 zumindest teilweise bestimmt sein. Das bedeutet, dass beispielsweise durch die Aussparungen 74a oder 74b eine Steifigkeit des Substrats 14 lokal reduzierbar ist, so dass die Federelemente 72a bzw. 72b gebildet werden. Ob- wohl die Aussparungen 74a und 74b so dargestellt sind, dass sie sich über benachbarte verformbare Elemente 22a und 22c bzw. 22b und 22d in dem Substrat 14 hinweg erstrecken, kann die Aussprung 74a oder 74b auch lediglich benachbart zu einem verformbaren Element oder benachbart zu mehreren verformbaren Elementen angeordnet sein. Alternativ kann das Substrat 14 auch mehrere Aussparungen oder Federelemente aufweisen. In anderen Worten zeigt Fig. 6d eine Konfiguration, bei der eine weitere Struktur in Form einer Biegefeder (Federelemente 72a und 72b) an der die verformbaren Elemente (Balken) befestigt sind, zu einer weiteren Reduktion der Zugspannung führen kann. Solche Biegefederelemente können beispielsweise auch in die starre Platte integriert werden, wie es in der Konfiguration der Fig. 6e gezeigt ist und im Zusammenhang mit den Aussparungen 76a-d beschrieben ist. Diese Elemente können sich im Fall der Auslenkung der Balken S-förmig verformen und die Zugbelastung auf die starre Platte reduzieren. The spring element 72a and / or 72b may be at least partially determined, for example, by a recess (cavity) 74a or 74b in the substrate 14. This means that, for example, through the recesses 74a or 74b, a rigidity of the substrate 14 can be locally reduced, so that the spring elements 72a and 72b are formed. Although recesses 74a and 74b are shown extending beyond adjacent deformable elements 22a and 22c, 22b and 22d in substrate 14, protrusion 74a or 74b may also be adjacent to, or adjacent to, a deformable element be arranged a plurality of deformable elements. Alternatively, the substrate 14 may also have a plurality of recesses or spring elements. In other words, Fig. 6d shows a configuration in which a further structure in the form of a spiral spring (spring elements 72a and 72b) to which the deformable elements (beams) are attached, can lead to a further reduction of the tensile stress. Such flexural spring elements may for example also be integrated in the rigid plate, as shown in the configuration of FIG. 6e and described in connection with the recesses 76a-d. These elements can deform S-shaped in the case of deflection of the beams and reduce the tensile load on the rigid plate.
Fig. 6e zeigt eine Konfiguration von elektromechanischen Wandlern 18a und 18b, bei der die Plattenelemente 62a und 62b verglichen mit der Konfiguration, wie sie im Zusammenhang mit der Fig. 6d beschrieben ist, Aussparungen 76a-d benachbart zu einem Bereich aufweisen, an dem die Plattenelemente 62a bzw. 62b über die Federelemente 68 mit den verformbaren Elementen verbunden sind. Ein Abstand zwischen den Aussparungen 76a- d und einer den verformbaren Elementen zugewandten Seite der Plattenelemente 62a bzw. 62b kann eine Steifigkeit des Plattenelements 62a bzw. 62b in diesem Bereich beeinflussen. Die Aussparungen 76a-d ermöglichen verringerte Rückstellkräfte, die auf die verformbaren Elemente 22a-d wirken. FIG. 6e shows a configuration of electromechanical transducers 18a and 18b in which the plate members 62a and 62b have recesses 76a-d adjacent a region where the. FIG. 6d is compared with the configuration described in connection with FIG Plate elements 62a and 62b are connected via the spring elements 68 with the deformable elements. A distance between the recesses 76a-d and a deformable elements facing side of the plate members 62a and 62b, respectively, can influence a rigidity of the plate member 62a or 62b in this area. The recesses 76a-d allow for reduced restoring forces acting on the deformable elements 22a-d.
In anderen Worten zeigen die Fig. 6a-e Varianten für eine Ausgestaltung der beweglichen Elemente bzw. der elektromechanischen Wandler. Diese unterscheiden sich von einer Ausführung, wie sie im Zusammenhang mit der Fig. 5 beschrieben ist, beispielsweise o- der insbesondere dadurch, dass die in Fig. 5 dargestellten Elemente 64a oder 64b mit der Versteifung 66 hin zu den Federelementen 68 verschmolzen wurden. Die Konfiguration gemäß Fig. 6a kann eine höhere Steifigkeit gegenüber parasitären Verkippungen der Plat- tenelemente 62a bzw. 62b um eine Achse senkrecht zur Zeichenebene (x/y-Ebene) aufweisen. Ähnliches kann für die Konfigurationen gemäß den Fig. 6b und 6c gelten. Alle drei Konfigurationen ermöglichen außerdem größere Auslenkungen der Biegebalken im Vergleich zu der Konfiguration aus Fig. 5. Dort kann das Element 64a bzw. 64b (biegbarer Steg) bei einer Auslenkung der Balken unter Zugspannung stehen, welche mit wachsen- der Auslenkung in einen zunehmenden mechanischen Widerstand für die Balkenauslenkung der verformbaren Elemente resultieren kann. Bei den Varianten gemäß den Fig. 6a- c kann die mechanische Verbindung der beiden verformbaren Elemente deutlich weicher (weniger steif) ausgeführt sein, da die jeweils verbindenden Federelemente 68 mit einer Verbiegung reagieren können, die bei entsprechender Gestaltung dieser Elemente einen deutlich geringeren mechanischen Widerstand darstellen kann. Die verbindenden Elemente/Federn 68 und/oder die im Zusammenhang mit der Fig. 5 beschriebenen Elemente/Federn 64a-b können auch eine gekrümmte oder mäanderför- mige Form aufweisen. Dies ermöglicht eine erhöhte Flexibilität in einer bevorzugten Richtung. Die Konfigurationen, wie sie im Zusammenhang mit den Fig. 6d und 6e beschrieben sind, ermöglichen eine Verringerung der Zugbelastung, die zu einer effektiven Versteifung des verformbaren Elements führen würde. Die in den Fig. 6a-e beschriebenen Konfigurationen vernachlässigen Ein- bzw. Auslassöffnungen 26. Sind diese Öffnungen angeordnet, können Aussparungen bzw. Federelemente in dem Substrat in Bereichen, in denen die Öffnung angeordnet ist, entfallen. Alternativ oder zusätzlich kann eines, mehrere oder jedes der durch zumindest eine Aussparung erhaltenen Federelemente 72a, 72b und/oder in den Plattenelementen 62a oder 62b basierend auf zwei oder mehreren voneinander getrennten und unabhängigen Federelementen realisiert sein. In other words, FIGS. 6a-e show variants for an embodiment of the movable elements or the electromechanical converters. These differ from a design, as described in connection with FIG. 5, for example, or in particular in that the elements 64a or 64b shown in FIG. 5 have been fused with the stiffening 66 toward the spring elements 68. The configuration according to FIG. 6a can have a higher rigidity against parasitic tilting of the plate elements 62a or 62b about an axis perpendicular to the plane of the drawing (x / y plane). The same applies to the configurations according to FIGS. 6b and 6c. All three configurations also allow for greater deflections of the flex beams as compared to the configuration of Figure 5. There, the member 64a and 64b, respectively, may be under tension at deflection of the beams, which increases with increasing displacement into increasing mechanical strength Resistance can result for the beam deflection of the deformable elements. In the variants according to FIGS. 6a-c, the mechanical connection of the two deformable elements can be made significantly softer (less rigid), since the respectively connecting spring elements 68 can react with a bending, which with a corresponding design of these elements has a significantly lower mechanical resistance can represent. The connecting elements / springs 68 and / or the elements / springs 64a-b described in connection with FIG. 5 may also have a curved or meandering shape. This allows for increased flexibility in a preferred direction. The configurations as described in connection with FIGS. 6d and 6e allow a reduction in the tensile load which would lead to an effective stiffening of the deformable element. The configurations described in FIGS. 6a-e neglect inlet and outlet openings 26. If these openings are arranged, recesses or spring elements in the substrate in regions in which the opening is arranged can be dispensed with. Alternatively or additionally, one, several or each of the spring elements 72a, 72b obtained by at least one recess and / or in the plate elements 62a or 62b may be realized based on two or more separate and independent spring elements.
Nachfolgend beschriebene Fig. 7a-c beschreiben beispielhaft mögliche Anordnungen von verformbaren Elementen und Plattenelementen. FIGS. 7a-c described below describe examples of possible arrangements of deformable elements and plate elements.
Fig. 7a zeigt das verformbare Element 40, das mit dem Plattenelement 62 verbunden ist. Das Plattenelement 62 kann beispielsweise unmittelbar an dem verformbaren Element 40 angeordnet sein. FIG. 7 a shows the deformable element 40 which is connected to the plate element 62. The plate element 62 may for example be arranged directly on the deformable element 40.
Fig. 7b zeigt eine Konfiguration, bei der das verformbare Element 40a zwischen dem Substrat 14 fest eingespannt ist und ausgebildet ist, um sich entlang der lateralen Richtung 24 zu verformen. Zwischen dem verformbaren Element 40 und dem Plattenelement 62 sind zwei weitere verformbare Elemente 40b und 40c angeordnet, deren Enden mitei- nander verbunden sein können. Ausgehend von den Verbindungen können die verformbaren Elemente 40b und 40c so zueinander ausgerichtet sein, dass eine Wölbung des jeweiligen verformbaren Elements 40b oder 40c von dem anderen verformbaren Element weg weist. Die verformbaren Elemente 40a-c können beispielsweise gemeinsam angesteuert werden oder gemeinsam auf den Volumenstrom des Fluids reagieren, wobei bei- spielsweise eine gemeinsame Ansteuerung der verformbaren Elemente 40a-c zu einer Vergrößerung des Stellwegs, d. h. zu einer Vergrößerung des Weges, um das das Plattenelement 62 ausgelenkt wird, führen. Das bedeutet, dass zwischen dem verformbaren Element und dem Plattenelement zumindest ein weiteres verformbares Element angeordnet sein kann, das ausgebildet ist, um bei einer gemeinsamen Ansteuerung mit dem ver- formbaren Element einen Stellweg des verformbaren Elements zu erhöhen. Fig. 7c zeigt eine Konfiguration des elektromechanischen Wandlers 18, bei dem die verformbaren Elemente 40a-c in einem Mittenbereich Aussparungen 70a oder 70b aufweisen, die eine fluidische Kopplung eines Volumens 82 zwischen den verformbaren Elementen 40b und 40c mit einer weiteren Teilkavität, beispielsweise der Teilkavität 38a er- möglichen. Die verformbaren Elemente 40a, 40b und/oder 40c können jeweils zweiteilig ausgeführt sein, um die Aussparungen 78a und 78b bereitzustellen. Alternativ oder zusätzlich können die Aussparungen 78a und 78b als Aussparungen ausgeführt sein, die entlang einer Dickenrichtung (z-Richtung) von weiterem Material der verformbaren Elemente 40a, 40b bzw. 40c umschlossen sind. FIG. 7 b shows a configuration in which the deformable element 40 a is firmly clamped between the substrate 14 and is formed to deform along the lateral direction 24. Between the deformable element 40 and the plate element 62, two further deformable elements 40b and 40c are arranged, the ends of which can be connected to one another. Based on the connections, the deformable elements 40b and 40c may be aligned with each other such that a bulge of the respective deformable element 40b or 40c faces away from the other deformable element. The deformable elements 40a-c can, for example, be actuated jointly or react together to the volumetric flow of the fluid, wherein, for example, joint control of the deformable elements 40a-c increases the travel, ie, enlarges the path around which the plate element 62 is deflected lead. This means that between the deformable element and the plate element at least one further deformable element can be arranged, which is designed to increase a travel of the deformable element in the case of a common control with the deformable element. Fig. 7c shows a configuration of the electromechanical transducer 18 in which the deformable elements 40a-c in a central region recesses 70a or 70b, the fluidic coupling of a volume 82 between the deformable elements 40b and 40c with another Teilkavität, for example, the Teilkavität 38a. The deformable elements 40a, 40b and / or 40c may each be made in two parts to provide the recesses 78a and 78b. Alternatively or additionally, the recesses 78a and 78b may be formed as recesses, which are enclosed along a thickness direction (z-direction) of further material of the deformable elements 40a, 40b and 40c.
In anderen Worten zeigt Fig. 7a eine Konfiguration mit aktuierten S-förmigen Biegebalken nach Fig. 4, bei dem in der Mitte der starren Platte eine Verbindung zu dem Biegebalken angeordnet ist. Zur Erhöhung der Auslenkung können die Biegeaktoren mehrfach hintereinander (seriell) angeordnet werden. Die Fig. 7b und 7c zeigen schematisch eine Anord- nung von drei seriell geschalteten S-Aktoren. Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen können zwei S-Aktoren (verformbare Elemente 40) oder mehr als drei Aktoren seriell geschaltet werden. Die Schraffuren der verformbaren Elemente in den Fig. 7a-c sind beispielsweise in Übereinstimmung mit den Schraffuren, wie sie in Fig. 4 gewählt wurde, dargestellt. Voneinander verschiedene Schraffuren können eine voneinander verschiede- ne Krümmungsrichtung der jeweiligen Abschnitte bedeuten. Fig. 7c zeigt eine Konfiguration, die in der Mitte der S-förmigen Aktoren eine Öffnung aufweist (Aussparungen 78a und 78b), die eine verbesserte Belüftung des Zwischenraums (Kavität 82) ermöglicht. In other words, Fig. 7a shows a S-shaped bending beam actuator configuration according to Fig. 4, in which a connection to the bending beam is arranged in the center of the rigid plate. To increase the deflection, the bending actuators can be arranged several times in succession (serially). FIGS. 7b and 7c show diagrammatically an arrangement of three serially connected S-actuators. According to further embodiments, two S-actuators (deformable elements 40) or more than three actuators can be connected in series. The hatchings of the deformable elements in FIGS. 7a-c are shown, for example, in accordance with the hatching as selected in FIG. Hatching that differs from one another can mean a different direction of curvature of the respective sections. Fig. 7c shows a configuration having an opening in the center of the S-shaped actuators (recesses 78a and 78b) which allows for improved ventilation of the gap (cavity 82).
Fig. 7d zeigt eine Konfiguration des elektromechanischen Wandlers, bei der ein erstes verformbares Element 40a und ein zweites verformbares Element 40b entlang der y- Richtung parallel zu einander angeordnet sind. Dies ermöglicht eine Erhöhung der Kraftwirkung, mit der das Plattenelement 62 ausgelenkt wird. Enden der verformbaren Elemente können mit einander verbunden sein oder gemeinsam an dem Substrat angeordnet sein. Alternativ können auch zwei oder mehrere verformbare Elemente 40a und 40b ent- lang einer anderen Richtung parallel angeordnet sein, etwa entlang der z-Richtung (Dickenrichtung). Alternativ oder zusätzlich kann auch eine Serienschaltung und eine Parallelschaltung von verformbaren Elementen kombiniert werden. Fig. 7d shows a configuration of the electromechanical transducer in which a first deformable element 40a and a second deformable element 40b are arranged along the y-direction parallel to each other. This allows an increase in the force with which the plate member 62 is deflected. Ends of the deformable elements may be connected to each other or disposed together on the substrate. Alternatively, two or more deformable elements 40a and 40b may also be arranged parallel along another direction, for example along the z-direction (thickness direction). Alternatively or additionally, a series connection and a parallel connection of deformable elements can also be combined.
Bewegliche Elemente können bei einer hohen oder zu hohen Auslenkung auf ein anderes bewegliches Element oder ein festes Element treffen. Dies kann zu Sticking führen. Die beweglichen Elemente oder die festen Elemente können bevorzugt mit Abstandseiemen- ten (Pollern) versehen werden, welche ermöglichen, die Kontaktfläche signifikant zu verringern und damit Sticking zu reduzieren oder zu vermeiden. Anstelle sogenannter Poller können auch kleine als Federelemente ausgebildete Strukturen angeordnet werden. Neben der Vermeidung von Sticking kann so der Impuls beim Auftreffen zweier Elemente umgekehrt werden, womit Energieverluste reduziert oder vermieden werden können bzw. das dynamische Verhalten der Aktoren verbessert werden kann. Movable elements can hit another moving element or element at high or high deflection. This can lead to sticking. The movable elements or the fixed elements may preferably be equipped with spacer belts. bollards, which make it possible to significantly reduce the contact area and thus reduce or avoid sticking. Instead of so-called bollards, small structures designed as spring elements can also be arranged. In addition to avoiding sticking, the impulse can be reversed when two elements strike, which can reduce or avoid energy losses or improve the dynamic behavior of the actuators.
Fig. 8a zeigt eine schematische perspektivische Ansicht eines MEMS-Wandlers 80, bei dem die verformbaren Elemente alternierend mit dem Substrat bzw. der Zwischenschicht 36 bzw. mit einem Ankerelement 84, das mit dem Substrat verbunden ist, verbunden sind. Beispielsweise ist das verformbare Element 22a in den Bereichen 46 und 48 der Zwischenschicht 36 an Enden fest mit dem Substrat verbunden und ausgebildet, um eine S- förmige Bewegung auszuführen, wie es im Zusammenhang mit dem verformbaren Element 40 beispielhaft erläutert ist. Das benachbart angeordnete verformbare Element 22b ist mit dem Ankerelement 84 verbunden. Das Ankerelement 84 ist in einem Mittenbereich des verformbaren Elements 22b angeordnet und kann an der Abstandsschicht 34a oder der Schicht 32a mit derselben verbunden sein. Das bedeutet, dass das Substrat ein Ankerelement aufweisen kann. Seitenwände der Zwischenschicht 36, die benachbart zu bewegbaren Enden der verformbaren Elemente 22a oder 22b angeordnet sind, können basierend auf einer Bewegungsform der verformbaren Elemente 22a bzw. 22b geformt sein. 8a shows a schematic perspective view of a MEMS converter 80, in which the deformable elements are connected alternately to the substrate or the intermediate layer 36 or to an anchor element 84 which is connected to the substrate. For example, the deformable element 22a in the regions 46 and 48 of the intermediate layer 36 is fixedly connected at ends to the substrate and configured to perform an S-shaped movement, as exemplified in connection with the deformable element 40. The adjacently disposed deformable element 22b is connected to the anchor element 84. The anchor member 84 is disposed in a center portion of the deformable member 22b, and may be connected to the spacer layer 34a or the layer 32a with the same. This means that the substrate can have an anchor element. Side walls of the intermediate layer 36, which are disposed adjacent to movable ends of the deformable members 22a or 22b, may be formed based on a movement shape of the deformable members 22a and 22b, respectively.
Fig. 8b zeigt eine schematische Aufsicht des MEMS-Wandlers 80, wobei die Abstands- schicht 34b und die Schicht 32b beispielhaft nicht gezeigt sind. Das MEMS 80 umfasst die Stabelemente 44 in Bereichen der Öffnungen 26. Die Bereiche 48 können die Federelemente 72a-c aufweisen. Die Bereiche 48 sind beispielhaft als Aufsicht der Zwischenschicht 36 dargestellt. Das Ankerelement 84 kann einstückig mit dem verformbaren Element 22b und/oder einer Schicht des Substrats geformt sein. Wie es in Fig. 8 dargestellt ist, kann das Ankerelement 84 jedoch entlang der z-Richtung über das verformbare Element 22b hinausragen, um die Schichten 32a und 32b miteinander zu verbinden. Dies ermöglicht eine verringerte Schwingungsanfälligkeit der Schichten 32a und 32b. Alternativ kann das Ankerelement 84 auch aus einem anderen Stück und/oder aus einem anderen Material wie das mechanisch verformbare Element 22b gebildet sein. Das benachbart hierzu angeordnete ver- formbare Element 22a ist beispielsweise beidseitig fest mit dem Substrat in den Bereichen 48 oder 46 verbunden, beispielsweise form- oder kraftschlüssig. FIG. 8b shows a schematic plan view of the MEMS converter 80, wherein the spacer layer 34b and the layer 32b are not shown by way of example. The MEMS 80 includes the rod members 44 in areas of the openings 26. The areas 48 may include the spring members 72a-c. The regions 48 are shown by way of example as a plan view of the intermediate layer 36. The anchor member 84 may be integrally molded with the deformable member 22b and / or a layer of the substrate. However, as shown in FIG. 8, the anchor member 84 may extend beyond the deformable member 22b along the z-direction to interconnect the layers 32a and 32b. This allows a reduced susceptibility to vibration of the layers 32a and 32b. Alternatively, the anchor element 84 may also be formed from another piece and / or from a different material, such as the mechanically deformable element 22b. The neighboring For example, the formable element 22a is fixedly connected on both sides to the substrate in the regions 48 or 46, for example by positive or non-positive engagement.
Ein Abstand 85 zwischen Stabelementen 44 kann beispielsweise geringer sein als 1 pm, als 0, 1 pm oder 0,05 pm. For example, a distance 85 between bar elements 44 may be less than 1 pm, than 0, 1 pm or 0.05 pm.
Das Ankerelement 84 kann in einem Mittenbereich des verformbaren Elements 22b angeordnet sein. Der Mittenbereich kann bspw. einen geometrischen Schwerpunkt des verformbaren Elementes umfassen. Der Mittenbereich kann bspw. das Balkensegment 30b des verformbaren Elementes 40 sein. The anchor member 84 may be disposed in a center portion of the deformable member 22b. The middle region may, for example, comprise a geometric center of gravity of the deformable element. The middle region can be, for example, the bar segment 30b of the deformable element 40.
Fig. 8c zeigt eine schematische perspektivische Ansicht des MEMS-Wandlers 80 in einem ausgelenkten Zustand. Äußere Bereiche des verformbaren Elements 22b können sich in eine Richtung hin zu dem verformbaren Element 22a bewegt haben, wobei Orte der äu- ßeren Enden des verformbaren Elements 22a im Wesentlichen unverändert geblieben sind. Ein Mittenbereich des verformbaren Elements 22a kann sich in eine Richtung des verformbaren Elements 22b bewegt haben, wobei ein Ort des Mittenbereichs des verformbaren Elements 22b basierend auf dem Ankerelement 84 im Wesentlichen unverändert geblieben ist. FIG. 8c shows a schematic perspective view of the MEMS converter 80 in a deflected state. FIG. Outer portions of the deformable member 22b may have moved in a direction toward the deformable member 22a with locations of the outer ends of the deformable member 22a remaining substantially unchanged. A center portion of the deformable member 22a may have moved in a direction of the deformable member 22b with a location of the center portion of the deformable member 22b based on the anchor member 84 substantially unchanged.
Fig. 8d zeigt eine schematische Aufsicht auf den MEMS-Wandler 80 in dem ausgelenkten Zustand, wie er in Fig. 8c beschrieben ist. Das Volumen der Kavität 42 ist verglichen mit der Ansicht der Fig. 8b verringert, wohingegen ein Volumen der Teilkavität 38 vergrößert ist. Das Federelement 72a kann zu einer reduzierten Krafteinleitung in das verformbare Element 22a führen, kann jedoch auch nicht angeordnet sein. Zwischen den Balkenstrukturen des ersten elektromechanischen Wandlers und des zweiten elektromechanischen Wandlers bzw. zwischen den Aktoren 22a und 22b kann eine erste Teilkavität 42 angeordnet sein, die an eine Öffnung 26 des Substrats angrenzt. In anderen Worten zeigen Fig. 8a und 8b eine schematische 3D-Darstellung bzw. eine Aufsicht einer Variante, bei der eine Chipfläche des MEMS-Wandlers sehr effizient ausnutzbar ist. Wie in der Basiskonfiguration, wie sie im Zusammenhang mit den Fig. 2a-c beschrieben ist, können ausschließlich oder vorwiegend Biegeaktoren eingesetzt werden, d. h. auf das zusätzliche starre Plattenelement kann verzichtet werden. Die Kammer 42 wird, wie in Fig. 8a illustriert, durch zwei nicht ausgelenkte S-Aktoren 22a und 22b begrenzt. Der links (negative x-Richtung) begrenzende S-Aktor 22a kann mit seinen beiden Enden in der Zeichnung oben bzw. unten (also entlang der positiven oder negativen y- Richtung) mit dem übrigen Bauelement verbunden sein. Der rechts begrenzende S-Aktor 22b kann an einem Pfosten (Ankereiement) 84 befestigt sein. Die beiden Enden dieses S- Aktors können frei beweglich sein. Der Pfosten 84 kann mit dem oberen und unteren De- ekel 32a bzw. 32b fest verbunden sein. Bei anliegendem Signal verbiegen sich beide Aktoren S-förmig. Das in Fig. 8a verdeckt dargestellte Federelement 72a, das durch eine Aussparung beeinfiusst ist, kann zur Zugentlastung dienen. Das Federelement ist in der Zeichenebene der Fig. 8b entlang der lateralen Bewegungsrichtung 24 in dem Element 48 angeordnet, so dass das Federelement 72a entlang der lateralen Bewegungsrichtung 24 fest eingespannt ist. Das Federelement 72a kann, wie es beispielsweise in Fig. 8 dargestellt ist, basierend auf den Abstandsschichten 34a und 34b eine feste Verbindung hierzu aufweisen und ebenfalls eingespannt sein. Alternativ können die Schichten 34a und 34b auch so strukturiert werden, dass das Federelement 72a keinen Kontakt zu der Abstandsschicht 34a und/oder 34b aufweist und somit eine höhere Nachgiebigkeit aufweisen kann. FIG. 8d shows a schematic plan view of the MEMS converter 80 in the deflected state, as described in FIG. 8c. The volume of the cavity 42 is reduced compared to the view of FIG. 8b, whereas a volume of the cavity portion 38 is increased. The spring element 72a may lead to a reduced introduction of force into the deformable element 22a, but may not be arranged. Between the beam structures of the first electromechanical transducer and the second electromechanical transducer or between the actuators 22a and 22b may be arranged a first Teilkavität 42, which is adjacent to an opening 26 of the substrate. In other words, FIGS. 8a and 8b show a schematic 3D representation or a plan view of a variant in which a chip area of the MEMS converter can be exploited very efficiently. As in the basic configuration, as described in connection with FIGS. 2a-c, exclusively or predominantly bending actuators can be used, ie the additional rigid plate element can be dispensed with. The chamber 42 is bounded by two undeflected S-actuators 22a and 22b, as illustrated in FIG. 8a. The left (negative x-direction) limiting S-actor 22a can with its two Ends in the drawing above or below (ie along the positive or negative y direction) to be connected to the rest of the device. The right limiting S-actuator 22b may be attached to a post (anchorage) 84. The two ends of this S-actuator can be freely movable. The post 84 may be fixedly connected to the upper and lower decks 32a and 32b, respectively. When the signal is applied, both actuators bend S-shaped. The spring element 72a, which is concealed in FIG. 8a and is influenced by a recess, can serve for strain relief. The spring element is arranged in the drawing plane of FIG. 8 b along the lateral movement direction 24 in the element 48, so that the spring element 72 a is firmly clamped along the lateral movement direction 24. The spring element 72a, as shown for example in Fig. 8, based on the spacer layers 34a and 34b have a fixed connection thereto and also be clamped. Alternatively, the layers 34a and 34b may also be patterned such that the spring element 72a has no contact with the spacer layer 34a and / or 34b and thus may have a higher compliance.
Wie es in den Fig. 8c und 8d dargestellt ist, können die bauchförmigen Verwölbungen des S-Aktors 22a in Richtung des Pfostens 84 bewegt werden, so dass die Mitte des S-Aktors 22a nahezu die Mitte des S-Aktors 22b berührt. Gleichzeitig haben sich die freien Enden des S-Aktors 22b in Richtung der festen Einspannung des S-Aktors 22a bewegt, so dass diese sich ebenfalls nahezu berühren. Die aktuierte Form der beiden S-Aktoren kann näherungsweise gleich oder identisch sein, so dass sich die Kammer 42 bei genügender Auslenkung der Aktoren praktisch oder nahezu vollständig schließen kann. Das ursprüngliche Volumen der Kammer 42 kann also vollständig für die Generation des Volumenstroms oder für dessen Erfassung eingesetzt werden. Im gleichen Maße, wie die Kammer 42 an Volumen verliert, kann die Kammer 38 an Volumen gewinnen, wodurch bei geeigneter Dimensionierung der die Strömungen beeinflussenden Elemente verhindert werden kann, dass eine zu hohe durch dynamische Effekte auftretende Druckdifferenz zwischen den Kammern 38 und 42 die Bewegung der Aktoren beeinträchtigt. Die Elemente 46 und 48 können so ausgestaltet sein, dass der Abstand zu den freien Enden der Aktoren 22b unabhängig von der Auslenkung der Enden klein und/oder in etwa konstant bleibt. Zur Zugentlastung der Aktoren 22a können, wie oben beschrieben, Biegefederelemente 72a angeordnet sein. As shown in Figs. 8c and 8d, the bulbous bulges of the S-actuator 22a may be moved toward the post 84 so that the center of the S-actuator 22a almost contacts the center of the S-actuator 22b. At the same time, the free ends of the S-actuator 22b have moved in the direction of the fixed clamping of the S-actuator 22a, so that they also almost touch each other. The aktuierte form of the two S-actuators can be approximately the same or identical, so that the chamber 42 can close practically or almost completely with sufficient deflection of the actuators. The original volume of the chamber 42 can thus be used completely for the generation of the volume flow or for its detection. To the same extent as the chamber 42 loses volume, the chamber 38 can gain in volume, which can be prevented with appropriate dimensioning of the flow-influencing elements that too high a dynamic effects occurring pressure difference between the chambers 38 and 42, the movement affected the actuators. The elements 46 and 48 may be configured such that the distance to the free ends of the actuators 22b remains small and / or approximately constant independent of the deflection of the ends. For strain relief of the actuators 22a, as described above, bending spring elements 72a may be arranged.
Vorangehend beschriebene Ausführungsbeispiele können weitere Aktoren umfassen, die in entstehenden Strömungskanälen angeordnet sind. Die weiteren Aktoren können bspw. nicht der direkten Schallerzeugung dienen, wie es beispielsweise die elektromechani- sehen Wandler 18 ermöglichen können, sondern zur variablen Einstellung der Strömungseigenschaften nutzbar sein. Damit kann beispielsweise die Dämpfung und folglich die Breite der Resonanzkurve individuell für jede Kammer anforderungsspezifisch und flexibel während des Betriebs des Bauelements (MEMS-Wandler) angepasst werden. Previously described embodiments may include further actuators which are arranged in emerging flow channels. The other actuators can not serve, for example, the direct generation of sound, as is the case, for example, with the electromechanical see converter 18 can be used, but be used for variable adjustment of the flow characteristics. Thus, for example, the attenuation, and thus the width of the resonance curve, can be adapted individually and flexibly for each chamber during operation of the component (MEMS converter).
In eingangs aufgeführter Abschätzung wurde die Volumenänderung pro aktiver Fläche (AV/A) für einen Membranlautsprecher nach dem Stand der Technik auf 3,75 pm abgeschätzt. Dies kann, wie nachfolgend ausgeführt, für eine in den Fig. 8a-c dargestellten MEMS-Wandler anhand von für Mikrotechnik-Technologie sinnvollen Dimensionen erneut abgeschätzt wurden, um eine Abschätzung für eine aktive Fläche AV/A zu erhalten. Dazu kann für eine Breite der Aktoren (in Abbildung 8a in x-Richtung) ein Wert von 5 pm angenommen werden. Die Breite des Pfostens 84 kann einen Wert von ebenfalls 5 pm aufweisen. Für den Abstand der Aktoren, welche die Seitenwände der Kammer 38 bilden, (etwa in den Fig. 8a und 8b im unausgeienkten Zustand) können 10 pm angenommen werden. Für einen Abstand der Aktoren, welche die Seitenwände der Kammer 42 bilden, (Fig. 8a und 8b im unausgeienkten Zustand) können 100 pm angenommen werden. Ein pianarer Füllfaktor Fp, der angeben kann, welcher Anteil der aktiven Fläche für die Generation eines Volumenstroms nutzbar ist, kann sich dann zu Fp = 100 / (5 + 100 + 5 + 10) = 83 % ergeben. In the initial estimate, the volume change per active area (AV / A) for a prior art membrane loudspeaker was estimated to be 3.75 pm. This may be re-estimated for a MEMS transducer as shown in FIGS. 8a-c, using dimensions useful for microtechnology technology, as discussed below, to obtain an estimate for an active area AV / A. For this, a value of 5 pm can be assumed for a width of the actuators (in the x-direction in FIG. 8a). The width of the post 84 may also have a value of 5 pm. For the distance of the actuators, which form the side walls of the chamber 38, (for example in the unexposed state in FIGS. 8a and 8b), 10 pm can be assumed. For a distance of the actuators which form the side walls of the chamber 42 (Figures 8a and 8b in the unexposed state) 100 pm can be assumed. A pianar filling factor F p , which can indicate which portion of the active area is usable for the generation of a volume flow, can then result in F p = 100 / (5 + 100 + 5 + 10) = 83%.
AV/A kann ausgedrückt werden als: AV/A = A x Fph / A = FPh AV / A can be expressed as: AV / A = A x F p h / A = F P h
In obigem Ausdruck kann h die Höhe der Kammer (bspw. die z-Richtung in Fig. 8a) dar- stellen. Vereinfacht kann hierfür lediglich die Aktorhöhe angenommen werden. Eine Dicke der Abstandsschichten 34a und 34b kann vernachlässigt werden. Im Vergleich mit den obigen 3,75 pm für die Membranlautsprecher wird klar, dass bereits eine Aktorhöhe von lediglich 3,75 m / Fp (also 4,5 pm) hinreichend ist, um denselben Volumenstrom pro aktiver Fläche zur Verfügung zu stellen. Mit einer in mikromechanischer Technologie ohne erhöhte Aufwände herstellbaren Aktordicke h von in etwa 50 pm kann der Wert bereits um mehr als den Faktor 10 höher liegen als der des MEMS-Membranlautsprechers. in Ausführungsbeispielen gemäß dem MEMS-Wandler 80, die ohne starre Platten ausgeführt sind, können parasitäre Schwingungen aufgrund der deutlich reduzierten Anzahl mechanischer Elemente und mechanischer Verbindungen wesentlich einfacher beherrschbar bzw. reduzierbar sein als in Varianten, die die Plattenelemente und ggf. weite- re verformbare Elemente zwischen dem verformbaren Element und dem Plattenelement aufweisen. Ein serielles Hintereinanderschalten von Aktoren, wie beispielsweise in den Fig. 7b und 7c dargestellt, kann zur Erzielung größerer Hübe bzw. größerer Kräfte dienen. Fig. 9 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht eines Stapels 90. Der Stapel 90 umfasst einen MEMS-Wandler 80a, der mit weiteren MEMS-Wandlern 80b und 80c zu dem Stapel 90 verbunden und in dem Stapel 90 angeordnet ist. Die elektromechanischen Wandler des MEMS-Wandlers 80a und eines weiteren MEMS-Wandlers 80b und/oder 80c können gemeinsam ansteuerbar sein. Das bedeutet, dass bei gleichbleibender Chip- fläche ein Volumenstrom, der erzeugbar oder erfassbar ist, erhöht ist. Obwohl der Stapel 90 so beschrieben ist, dass er die MEMS-Wandler 80a, 80b und 80c umfasst, können alternativ oder zusätzlich andere MEMS-Wandler 10, 20, und/oder 50 angeordnet sein. Obwohl der Stapel 90 so beschrieben ist, dass er drei MEMS-Wandler umfasst, kann der Stapel 90 auch eine andere Anzahl von MEMS-Wandlern, etwa zwei, vier, fünf, sechs oder mehr MEMS-Wandler umfassen. Die Kavitäten oder Teilkavitäten der MEMS- Wandler bzw. benachbarter MEMS-Wandler, die in dem Stapel 90 angeordnet sind, können miteinander verbunden sein. Die Kavitäten oder Teilkavitäten können bspw. durch Öffnungen in Schichten zwischen einzelnen MEMS-Wandlern verbunden sein. Die elektronische Schaltung 17 kann ausgebildet sein, um einen oder mehrere der MEMS-Wandler anzusteuern, d. h., um die Konvertierung zwischen einer Verformung des verformbaren Elements und einem elektrischen Signal bereitzustellen. Der Stapel 90 kann somit zumindest eine, aber auch mehrere elektronische Schaltungen 17 aufweisen. In the above expression, h may represent the height of the chamber (eg, the z-direction in Fig. 8a). Simplified, only the actuator height can be assumed for this purpose. A thickness of the spacer layers 34a and 34b may be neglected. Compared with the above 3.75 pm for the membrane loudspeakers, it becomes clear that an actuator height of only 3.75 m / F p (ie 4.5 pm) is sufficient to provide the same volume flow per active area. With an actuator thickness h of about 50 μm, which can be produced in micromechanical technology without increased efforts, the value can already be more than a factor of 10 higher than that of the MEMS membrane loudspeaker. In embodiments according to the MEMS converter 80, which are embodied without rigid plates, parasitic oscillations can be much easier to control or reduce due to the significantly reduced number of mechanical elements and mechanical connections than in variants which control the plate elements and optionally further. re deformable elements between the deformable element and the plate member have. A serial series connection of actuators, as shown for example in FIGS. 7b and 7c, can serve to achieve larger strokes or larger forces. 9 shows a schematic perspective view of a stack 90. The stack 90 comprises a MEMS converter 80a, which is connected to further MEMS converters 80b and 80c to the stack 90 and arranged in the stack 90. The electromechanical transducers of the MEMS converter 80a and of another MEMS converter 80b and / or 80c may be controllable together. This means that, with the chip area remaining the same, a volumetric flow that can be generated or recorded is increased. Although the stack 90 is described as comprising the MEMS transducers 80a, 80b, and 80c, alternatively or additionally, other MEMS transducers 10, 20, and / or 50 may be arranged. Although the stack 90 is described as including three MEMS transducers, the stack 90 may also include a different number of MEMS transducers, such as two, four, five, six, or more MEMS transducers. The cavities or partial cavities of the MEMS transducers or adjacent MEMS transducers, which are arranged in the stack 90, can be connected to one another. The cavities or partial cavities can be connected, for example, by openings in layers between individual MEMS transducers. The electronic circuit 17 may be configured to drive one or more of the MEMS transducers, ie, to provide the conversion between deformation of the deformable element and an electrical signal. The stack 90 can thus have at least one but also a plurality of electronic circuits 17.
In anderen Worten können basierend auf Siliziumtechnologie Scheiben bzw. Chips (MEMS-Wandler) beispielsweise durch Bondverfahren gestapelt werden, so dass sich in diesem Fall, im Gegensatz zu den klassischen Membranlautsprechern, eine weitere Erhöhung des Volumenstroms ergeben kann. Bei einem Einsatz von Technologien zur Ab- dünnung der einzelnen Scheiben bzw. Chips vor Stapelung kann die Stapelhöhe gering gehalten werden. Eine derartige Technologie kann beispielsweise einen Ätzprozess und/oder einen Schleifprozess umfassen. In other words, based on silicon technology, chips or MEMS converters can be stacked, for example, by bonding methods, so that in this case, in contrast to the classical membrane loudspeakers, a further increase in the volume flow can result. When using technologies for thinning the individual slices or chips before stacking, the stack height can be kept low. Such a technology may include, for example, an etching process and / or a grinding process.
Eine Reduzierung einer Schichtdicke der Schichten 32a und/oder 32b, die benachbart zueinander angeordnet sind, kann so weit geführt werden, dass eine oder gar beide dieser Schichten entfernt werden. Alternativ oder zusätzlich kann zur Verringerung der Sta- pelhöhe ein Herstellungsprozess so ausgeführt werden, dass bestimmte Unter- bzw. Oberdeckel (Schichten 32a bzw. 32b) weggelassen werden. Beispielsweise könnte der Stapel 90 so gebildet sein, dass der ME S-Wandler 80b und/oder 80c jeweils ohne Schicht 32b ausgeführt sind. A reduction of a layer thickness of the layers 32a and / or 32b, which are arranged adjacent to one another, can be guided so far that one or even both of these layers are removed. Alternatively or additionally, to reduce the stack height, a production process may be carried out such that certain lower or upper covers (layers 32a or 32b) are omitted. For example, the Stack 90 may be formed so that the ME S converter 80b and / or 80c are each carried out without layer 32b.
Fig. 10 zeigt eine schematische perspektivische Aufsicht auf einen Ausschnitt eines MEMS-Wandlers 100, bei dem zwischen Seiten des Substrats 14 verformbare Elemente 22a-d angeordnet sind. Die verformbaren Elemente 22a und 22b sind mittelbar über das Ankerelement 84a verbunden. Das bedeutet, dass Enden der verformbaren Elemente 22a und 22b mit dem Substrat, ggf. mit dem Ankerelement 84a fest verbunden und mithin (fest) eingespannt sein können. Das bedeutet, dass die verformbaren Elemente 22a-d oder andere verformbare Elemente gemäß weiterer Ausführungsbeispiele eine Balkenstruktur aufweisen können. Die Balkenstruktur kann an einem ersten und einem zweiten Ende fest eingespannt sein. Eine Einspannung von Enden eines verformbaren Elementes 22a-d bzw. einer Balkenstruktur ermöglicht eine Vorauslenkung der verformbaren Elemente (etwa aufgrund von Schichtspannungsgradienten) zu reduzieren oder deutlich zu reduzieren. Somit können die Spalte zwischen den Deckeln und den Aktoren viel geringer ausfallen, was für einige Anwendungen erhebliche Effizienzvorteile hat 10 shows a schematic perspective view of a detail of a MEMS converter 100 in which deformable elements 22a-d are arranged between sides of the substrate 14. The deformable elements 22a and 22b are indirectly connected via the anchor element 84a. This means that ends of the deformable elements 22a and 22b can be fixedly connected to the substrate, possibly with the anchor element 84a, and thus (fixed) clamped. This means that the deformable elements 22a-d or other deformable elements according to further embodiments may have a beam structure. The beam structure may be firmly clamped at first and second ends. A clamping of ends of a deformable element 22a-d or a beam structure makes it possible to reduce or significantly reduce a deflection of the deformable elements (for instance due to layer stress gradients). Thus, the gaps between the covers and the actuators can be much smaller, which has considerable efficiency advantages for some applications
Die verformbaren Elemente 22a-d sind bspw. jeweils beidseitig fest eingespannt. Eine feste Einspannung kann mittels einer Anordnung oder Erzeugung der verformbaren Ele- mente 22a und/oder 22b an dem Substrat 14 und/oder an einem Ankerelement 84a bzw. 84b erhalten werden. Gestrichelte Linien 88 deuten einen unausgelenkten Zustand an, wohingegen durchgezogene Balken 92 eine ausgelenkte Form der verformbaren Elemente 22a-d andeuten. Ausformungen oder Elemente 94a und 94b des Substrats 14 können eine Positionierung der verformbaren Elemente 22a-d entlang der y-Richtung ermögli- chen. Eine paarweise Position von elektromechanischen Wandlern 18a-c kann basierend auf den Elementen 94a und 94b verschoben sein. Benachbart und/oder paarweise zueinander angeordnete elektromechanische Wandler 18a und 18b können entgegengesetzt zueinander verformbar sein. Das verformbare Element 22a und ggf. ein gegenüberliegendes verformbares Element 22c können ausgebildet sein, um basierend auf der Verformung einen Teilkavitätsab- schnitt 96a zu beeinflussen, d. h. zu vergrößern oder zu verkleinern bzw. um basierend auf dem Volumenstrom in dem Teilkavitätsabschnitt 96a eine Verformung auszuführen. Das verformbare Element 22b und ggf. das gegenüberliegend angeordnete verformbare Element 22d können ausgebildet sein, um einen Teilkavitätsabschnitt 96b zu beeinflussen. Die Teilkavitätsabschnitte 96a und 96b können miteinander verbunden sein, etwa in einem Bereich der Ankereiemente 84a und 84b. Die Verformung der verformbaren Elemente 22a-d kann so erhalten werden, dass sich die verformbaren Elemente 22a und 22c bzw. 22b und 22d mit einer voneinander verschiedenen Frequenz verformen, d. h. eine Volumenänderung in dem Teilkavitätsabschnitt 96a kann mit einer Frequenz erfolgen, die von einer Frequenz verschieden ist, mit der sich ein Volumen des Teilkavitätsabschnitts 96b ändert. Wird der MEMS-Wandler beispielsweise als Lautsprecher genutzt, so können basierend auf der frequenzmäßig verschiedenen Volumenänderung verschiedene Frequenzen in den Teilkavitätsabschnitten erhalten werden. Wird der MEMS-Wandler 100 beispielsweise als Mikrophon verwendet, können die Teilkavitätsabschnitten 96a und 96b beispielsweise voneinander verschiedene Resonanzfrequenzen aufweisen. Alternativ können weitere Teilkavitätsabschnitte und weitere verformbare Elemente entlang der y- Richtung angeordnet sein, so dass der MEMS-Wandler 100 beispielsweise weitere Frequenzen erzeugen oder weitere Resonanzfrequenzen aufweisen kann. Alternativ können die verformbaren Elementen 22a und 22b oder die verformbaren Elemente 22c und 22d auch direkt miteinander verbunden sein. Beispielsweise können Ankerelemente in einem Mittenbereich eines oder mehrerer verformbarer Elemente 22a-d angeordnet sein, um die Verformung der verformbaren Elemente 22a-d zu beeinflussen. Das bedeutet, dass die verformbaren Elemente 22a und 22b unmittelbar miteinander ver- bunden werden können. Alternativ kann auch ein Federelement oder ein anderes Element zwischen den verformbaren Elementen 22a und 22b angeordnet sein. The deformable elements 22a-d are, for example, firmly clamped on both sides. A fixed clamping can be obtained by means of an arrangement or production of the deformable elements 22a and / or 22b on the substrate 14 and / or on an anchor element 84a or 84b. Dashed lines 88 indicate an undeflected state, whereas solid bars 92 indicate a deflected shape of the deformable elements 22a-d. Formations or elements 94a and 94b of the substrate 14 may enable positioning of the deformable elements 22a-d along the y-direction. A paired position of electromechanical transducers 18a-c may be shifted based on elements 94a and 94b. Adjacent and / or in pairs mutually arranged electromechanical transducers 18a and 18b may be mutually deformable opposite to each other. The deformable element 22a and possibly an opposing deformable element 22c may be designed to influence, ie to enlarge or reduce, based on the deformation, a partial cavity section 96a or to perform a deformation based on the volume flow in the partial cavity section 96a. The deformable element 22b and optionally the oppositely disposed deformable element 22d may be formed to affect a Teilkavitätsabschnitt 96b. The Teilkavitätsabschnitte 96a and 96b may be interconnected, such as in a portion of the anchors 84a and 84b. The deformation of the deformable elements 22a-d can be obtained so that the deformable elements 22a and 22c or 22b and 22d deform with a mutually different frequency, ie a volume change in the Teilkavitätsabschnitt 96a can be made with a frequency that is of a frequency is different, with which a volume of the Teilkavitätsabschnitts 96b changes. If the MEMS converter is used, for example, as a loudspeaker, different frequencies can be obtained in the partial cavity sections based on the frequency-wise different volume change. For example, when the MEMS converter 100 is used as a microphone, the partial cavity portions 96a and 96b may have mutually different resonance frequencies. Alternatively, further Teilkavitätsabschnitte and other deformable elements along the y-direction may be arranged so that the MEMS converter 100, for example, generate further frequencies or may have other resonant frequencies. Alternatively, the deformable elements 22a and 22b or the deformable elements 22c and 22d may also be directly connected to each other. For example, anchor elements may be disposed in a central region of one or more deformable elements 22a-d to affect the deformation of the deformable elements 22a-d. This means that the deformable elements 22a and 22b can be directly connected to each other. Alternatively, a spring element or another element may be arranged between the deformable elements 22a and 22b.
Der MEMS-Wandler 100 kann so ausgeführt sein, dass in einem ersten Zeitintervali der Volumenstrom 12 in einer positiven y-Richtung aus Öffnungen 26 und nachfolgend, in einem zweiten Zeitintervall der Volumenstrom 12 in einer negativen y-Richtung aus Öffnungen 26 erhalten wird. The MEMS converter 100 may be designed in such a way that, in a first time interval, the volume flow 12 is obtained in a positive y direction from openings 26 and subsequently, in a second time interval, the volume flow 12 is obtained in a negative y direction from openings 26.
In anderen Worten zeigt Fig. 10 eine Konfiguration in der wiederum, ggf. ausschließlich, S-förmige Aktoren angeordnet sind. Die S-förmigen Aktoren können zur Verdeutlichung des Prinzips in der Abbildung sowohl aktuiert (durchgezogene Linien 92) als auch nicht- aktuiert (gestrichelte Linien 88) darstellbar sein. Aktuierter und nicht-aktuierter Zustand können durch entsprechendes Design auch vertauschbar sein. Die S-förmigen Aktoren (verformbare Elemente 22a-d) können sowohl an ihrem einen (oberen) als auch an ihrem anderen (unteren) Ende eingespannt sein. Dazu können die Ankerelemente 84a-b genutzt werden. Die Ankerelemente 84a-b können aus den Schichten 34a, 36 und 34b gebildet sein und mit einer Schicht 32a und/oder 32b verbunden sein. Abstände zwischen den freien Enden der S-förmigen Aktoren und Elementen 94a oder 94b können basierend auf dieser Konfiguration entfallen. Dies kann geringere Umströmungsverluste ermöglichen. Ein Ausgangssubstrat kann so prozessiert werden, dass aus diesem die Aktoren herstellbar sind, wobei das Ausgangssubstrat Schichtspannungsgradienten aufweisen kann bzw. Schichtspannungsgradienten können während der Herstellung der Aktoren eingeführt werden. Eine dadurch induzierte Auslenkung der verformbaren Elementen kann basierend auf der Anordnung der Ankerelemente 84a und/oder 84b reduziert oder verhindert werden. Insbesondere kann die beidseitige Aufhängung der verformbaren Elemente zu einer Verringerung oder Verhinderung einer Auslenkung derselben in Richtung einer der Schichten 32a oder 32b führen. Die Abstandschichten 34a bzw. 34b können dementsprechend dünner ausfallen, was wiederum eine Reduktion der Umströmungsverluste bewirken kann. Je Kammer (Teilkavitätsabschnitt 96a oder 96b) kann durch zwei S-förmige Aktoren begrenzt sein. In dem Beispiel der Fig. 10 können zwei Kammern seriell hintereinander geschaltet sein. Die Anzahl der seriell geschalteten Kammern kann basierend auf einer auf dem Chip zur Verfügung gestellten Fläche unter Berücksichtigung der akustischen Eigenschaften, insbesondere der Resonanzfrequenz der S-förmigen Aktoren bzw. des Aktor-Kammersystems wählbar sein und kann zwischen 1 und einer hohen Zahl, beispielsweise mehr als 3, mehr als 5 oder mehr als 10 variieren. Die Elemente 94a und 94b können optional angeordnet sein, d. h. der ME S-Wandler 100 kann auch ohne diese Elemente ausgeführt sein. Wird beispielsweise aufgrund einer speziellen Gestaltung oder Ansteuerung der elektromechanischen Wandler und/oder der verformbaren Elemente ein entsprechender Teil des Aktors nicht ausgelenkt, so kann auf eine Beabstandung mittels der Elemente 94a oder 94b von dem Substrat 14 verzichtet werden. Es kann ein Mehrfach-S-Aktor (wellenförmiger Aktor) ausgeführt werden, insbesondere ermöglicht dies ein Erhalten niedriger Resonanzfrequenzen basierend auf dieser Anordnung, da eine Resonanzfrequenz des Balkens (verformbaren Elements) mit zunehmender Länge abnehmen kann. Fig. 1 a zeigt eine schematische Aufsicht auf einen Ausschnitt eines ME S-Wandlers 1 10, bei dem die elektromechanischen Wandler 18a-b verglichen mit der Konfiguration der Fig. 10 bezogen auf eine laterale Richtung des Substrats 14, beispielsweise die x- Richtung, schräg angeordnet sind. Bei einer verglichen mit dem MEMS-Wandler 100 gleichen Ausdehnung entlang der y-Richtung können die elektromechanischen Wandler 18a- b eine längere axiale Ausdehnung aufweisen. Dies kann größere Teilkavitätsabschnitte 96a und/oder 96b und/oder eine höhere Anzahl von seriell hintereinander geschalteten Teilkavitätsabschnitte bzw. verformbaren Elementen ermöglichen. In other words, FIG. 10 shows a configuration in which, in turn, exclusively, S-shaped actuators are arranged. To illustrate the principle, the S-shaped actuators can be represented in the illustration both actuated (solid lines 92) and non-actuated (dashed lines 88). Actuated and non-actuated state can also be interchangeable by appropriate design. The S-shaped actuators (deformable elements 22a-d) can be clamped both at their one (upper) and at the other (lower) end. For this purpose, the anchor elements 84a-b can be used. The anchor elements 84a-b may be formed from the layers 34a, 36 and 34b and connected to a layer 32a and / or 32b. Distances between the Free ends of the S-shaped actuators and elements 94a or 94b may be omitted based on this configuration. This can allow lower flow losses. A starting substrate can be processed in such a way that the actuators can be produced therefrom, wherein the starting substrate can have layer stress gradients, or layer stress gradients can be introduced during the production of the actuators. A deflection of the deformable elements induced thereby can be reduced or prevented based on the arrangement of the anchor elements 84a and / or 84b. In particular, the bilateral suspension of the deformable members may result in reducing or preventing deflection thereof toward one of the layers 32a or 32b. The spacer layers 34a and 34b can accordingly be thinner, which in turn can bring about a reduction in the flow-through losses. Each chamber (Teilkavitätsabschnitt 96a or 96b) may be limited by two S-shaped actuators. In the example of FIG. 10, two chambers may be serially connected in series. The number of serially connected chambers may be selectable based on an area provided on the chip taking into account the acoustic properties, in particular the resonance frequency of the S-shaped actuators or the actuator chamber system and may be between 1 and a high number, for example more as 3, more than 5 or more than 10 vary. The elements 94a and 94b can optionally be arranged, ie the ME S converter 100 can also be designed without these elements. If, for example, a corresponding part of the actuator is not deflected due to a special design or control of the electromechanical transducers and / or the deformable elements, it is possible to dispense with a spacing from the substrate 14 by means of the elements 94a or 94b. A multiple S-actor (wavy actuator) can be made, in particular, this enables obtaining low resonance frequencies based on this arrangement, since a resonant frequency of the beam (deformable element) may decrease with increasing length. 1 a shows a schematic plan view of a section of a ME S transducer 1 10, in which the electromechanical transducers 18 a - b are compared with the configuration of FIG. 10 with respect to a lateral direction of the substrate 14, for example the x direction. are arranged obliquely. In a comparison with the MEMS transducer 100 same extent along the y-direction, the electromechanical transducers 18a-b may have a longer axial extent. This can be larger partial cavity sections 96a and / or 96b and / or allow a higher number of serially connected in succession Teilkavitätsabschnitte or deformable elements.
Ein äußeres Balkensegment 30a eines verformbaren Elements kann mittelbar über das Ankerelement 84 mit einem äußeren Balkensegment 30c eines weiteren Verformbaren Elementes mit einander verbunden sein. Alternativ können die Balkensegmente 30a und 30c auch unmittelbar, d. h., direkt, mit einander verbunden sein. An outer beam segment 30a of a deformable element may be indirectly connected via the anchor element 84 to an outer beam segment 30c of another deformable element. Alternatively, the beam segments 30a and 30c may also be directly, i. h., be directly connected with each other.
In anderen Worten zeigt Fig. 1 1 a ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem die aktive Fläche gegenüber den Ausführungen der Fig. 10 um 45° gedreht ist, wobei ggf. die zur Verfügung stehende Chipfläche in einem höheren Umfang ausnutzbar ist. Trichterförmige Öffnungen 26 können so gestaltet werden, dass der Schall vorzugsweise senkrecht zur Chipkantenfläche, d. h. entlang der y-Richtung in positiver oder negativer Richtung hiervon emittiert werden kann. In other words, FIG. 11a shows a further exemplary embodiment in which the active surface is rotated by 45 ° compared to the embodiments of FIG. 10, wherein the available chip area may possibly be utilized to a greater extent. Funnel-shaped openings 26 may be configured such that the sound is preferably perpendicular to the chip edge surface, i. H. along the y-direction in the positive or negative direction thereof can be emitted.
Jedes der vorangehend beschriebenen verformbaren Elemente kann auch als eine Vielzahl von miteinander verschalteten verformbaren Elementen gebildet sein. Each of the above-described deformable elements may also be formed as a plurality of deformable elements interconnected with each other.
Fig. 1 1 b zeigt eine schematische Aufsicht auf einen Ausschnitt eines MEMS-Wandlers 1 10', der bspw. als Pumpe einsetzbar ist. Verglichen mit dem MEMS-Wandler 1 10 aus Fig. 1 1 a können die Teilkavitätsabschnitte 96a und 96b über zwei Öffnungen 26a und 26b mit einer Umgebung des MEMS-Wandlers 1 10' verbunden sein. Die Teilkavitätsabschnitte 96a und 96b können über die Öffnung 26a mit einer ersten Seite 97a des MEMS- Wandlers 1 10' verbunden sein und über die Öffnung 26b mit einer zweiten Seite 97a des MEMS-Wandlers 1 10' verbunden sein. Die erste Seite 97a und die zweite Seite 97b können bspw. gegenüberliegend zueinander angeordnet sein. Alternativ können die Seiten 97a und 97b auch einen Winkel zueinander aufweisen. Bspw. kann eine der Seiten 97a oder 97b eine Seitenfläche des MEMS-Wandlers 1 10' aufweisen und die andere Seite 97b oder 97a eine Hauptseite (bspw. eine Ober- oder Unterseite) des MEMS-Wandlers 1 10' umfassen. 1 1 b shows a schematic plan view of a section of a MEMS converter 1 10 ', which can be used, for example, as a pump. Compared with the MEMS converter 110 of FIG. 11a, the partial cavity sections 96a and 96b can be connected to an environment of the MEMS converter 1 10 'via two openings 26a and 26b. The Teilkavitätsabschnitte 96a and 96b may be connected via the opening 26a to a first side 97a of the MEMS converter 1 10 'and be connected via the opening 26b with a second side 97a of the MEMS converter 1 10'. The first side 97a and the second side 97b may, for example, be arranged opposite one another. Alternatively, the sides 97a and 97b may also be at an angle to each other. For example. For example, one of the sides 97a or 97b may include one side surface of the MEMS transducer 110 ' and the other side 97b or 97a may include a main side (eg, top or bottom) of the MEMS transducer 110'.
Basierend auf eine Verformung der verformbaren Elemente 22a-d kann der Fluidstrom von der ersten Seite 97a zu der zweiten Seite 97b oder andersherum durch den MEMS- Wandler 1 10' hindurch generierbar sein. Bspw. können die verformbaren Elemente 22a und 22c in einem ersten Zeitintervall verformt und das Volumen des Teilkavitätsabschnitts 96a verkleinert werden. In einem zweiten Zeitintervall kann das Volumen des Teilkavitäts- abschnitts 96b verkleinert werden. Basierend auf einer Reihenfolge der Verkleinerung oder Vergrößerung der Volumina kann eine Richtung des Volumenstroms 12 beeinflusst werden. Alternativ können auch mehrere Teilkavitätsabschnitte hintereinander angeordnet sein oder lediglich ein Teilkavitätsabschnitt angeordnet sein. Based on deformation of the deformable elements 22a-d, fluid flow may be generated from the first side 97a to the second side 97b or vice versa through the MEMS transducer 110 '. For example. For example, the deformable elements 22a and 22c can be deformed in a first time interval and the volume of the partial cavity section 96a can be reduced. In a second time interval, the volume of the partial cavity section 96b be reduced. Based on an order of decreasing or increasing the volumes, a direction of the volumetric flow 12 can be influenced. Alternatively, several Teilkavitätsabschnitte can be arranged one behind the other or only a Teilkavitätsabschnitt be arranged.
Vereinfacht ausgedrückt kann die Funktion einer Pumpe erhalten werden, indem der Volumenstrom 12 anstelle von Hin und Her analog zu einem Lautsprecher gemäß einem Durchflussprinzip durch den MEMS-Wandler erzeugt wird. Eine Ein- und eine Austrittsseite des ME S-Wandlers können gegenüberliegend angeordnet sein, können aber alterna- tiv auch einen Winkel zu einander aufweisen oder an der gleichen Seite örtlich oder fluidisch voneinander beabstandet sein. Die Kavität umfassend die Teilkavitätsabschnitte 96a und 96b kann die Öffnungen 26a und 26b in dem Substrat aufweisen. Zumindest einer der elektromechanischen Wandler 18a oder 18b kann ausgebildet sein, um den Volumenstrom 12 basierend auf dem Fluid bereitzustellen. Bspw. kann zumindest einer der elektromechanischen Wandler 18a oder 18b ausgebildet sein, um das Fluid basierend auf einer Aktuierung des elektromechanischen Wandler durch die erste Öffnung 26a in eine Richtung der Kavität zu befördern oder, um das Fluid basierend auf der Aktuierung durch die zweite Öffnung 26b in eine Richtung weg von der Kavität zu befördern oder andersherum. In simple terms, the function of a pump can be obtained by the volume flow 12 is generated instead of back and forth analogous to a loudspeaker according to a flow principle by the MEMS converter. An inlet and an outlet side of the ME S transducer may be arranged opposite one another, but may alternatively also have an angle to one another or be spatially or fluidly spaced from one another on the same side. The cavity comprising the partial cavity portions 96a and 96b may include the openings 26a and 26b in the substrate. At least one of the electromechanical transducers 18a or 18b may be configured to provide the volumetric flow 12 based on the fluid. For example. For example, at least one of the electromechanical transducers 18a or 18b may be configured to propel the fluid in a direction of the cavity based on actuation of the electro-mechanical transducer through the first opening 26a or into a fluid based on the actuation through the second opening 26b Direction away from the cavity or vice versa.
Obwohl eine Pumpenfunktion im Zusammenhang mit dem MEMS-Wandler 1 10' beschrieben ist, können auch andere hier beschriebene Ausführungsbeispiele als Pumpe oder Mikropumpe nutzbar sein, etwa indem eine Anordnung von Öffnungen der Kavität, Teil- kavität oder zumindest eines Teilkavitätsabschnitts angepasst wird. Although a pump function in connection with the MEMS transducer 1 10 'is described, other embodiments described here can be used as a pump or micropump, such as by an arrangement of openings of the cavity, Teilkavität or at least a Teilkavitätsabschnitts is adjusted.
Bei einer gleichzeitigen Auslenkung der verformbaren Elemente 22a und 22e kann in einem dazwischenliegenden Volumen ein Unterdruck (alternativ Überdruck) resultieren, der der Verformung oder Auslenkung entgegenwirkt. Das Volumen kann eine Öffnung aufweisen, bspw. in der Schicht 32a und/oder 32b, so dass ein Druckausgleich in diesem Volu- men ermöglicht ist. Dies ermöglicht einen effizienten Betrieb des MEMS-Wandlers 1 10'. With a simultaneous deflection of the deformable elements 22a and 22e, a negative pressure (alternatively overpressure) can result in an intermediate volume, which counteracts the deformation or deflection. The volume may have an opening, for example in the layer 32a and / or 32b, so that a pressure equalization in this volume is made possible. This enables efficient operation of the MEMS converter 110 '.
Fig. 12a zeigt eine schematische Ansicht eines MEMS-Wandlers 120, der bspw. als MEMS-Pumpe einsetzbar ist, in einem ersten Zustand. Der MEMS-Wandler 120 weist bspw. zwei verformbaren Elemente 22a und 22b auf, die eine Balkenstruktur ausweisen und beidseitig an dem Substrat 14 eingespannt oder fest eingespannt sind. Alternativ kann der MEMS-Wandler 120 auch mit einem verformbaren Element oder mit mehr als zwei verformbaren Elementen ausgeführt sein. FIG. 12 a shows a schematic view of a MEMS converter 120 which, for example, can be used as a MEMS pump, in a first state. The MEMS converter 120 has, for example, two deformable elements 22a and 22b, which have a beam structure and are clamped on both sides of the substrate 14 or firmly clamped. alternative For example, the MEMS converter 120 can also be designed with a deformable element or with more than two deformable elements.
Fig. 12b zeigt den MEMS-Wandler 120 in einem zweiten Zustand. Basierend auf einer Verformung zumindest eines verformbaren Elementes 22a und/oder 22b kann ausgehend von dem ersten Zustand, wie er in Fig. 12a dargestellt ist, der zweite Zustand erhalten werden. Ausgehend von dem zweiten Zustand kann basierend auf einer Rückverformung des oder der verformbaren Elements oder Elemente der erste Zustand erhalten werden. In dem zweiten Zustand ist die Teiikavität 38 zwischen den verformbaren Elementen 22a und 22b bspw. gegenüber dem ersten Zustand vergrößert. Während eines Übergangs vom ersten in den zweiten Zustand kann ein Unterdruck in der Teiikavität 38 entstehen. Währen eines Übergangs vom zweiten Zustand in den ersten Zustand kann ein Unterdruck in der Teiikavität 38 entstehen. Zwischen einem verformbaren Element 22a bzw. 22b und dem Substrat 14 ist eine Teiikavität 42a bzw. 42b angeordnet, deren Volumina komplementär zu dem Volumen der Teiikavität 38 verkleinert bzw. vergrößert werden können, wobei ebenfalls komplementär zu der Teiikavität 38 ein Überdruck bzw. Unterdruck basierend auf der Verformung der verformbaren Elemente erhalten werden kann. FIG. 12b shows the MEMS converter 120 in a second state. Based on a deformation of at least one deformable element 22a and / or 22b, the second state can be obtained starting from the first state, as shown in FIG. 12a. Starting from the second state, the first state can be obtained based on a rebound of the deformable element or elements. In the second state, the partial cavity 38 between the deformable elements 22a and 22b is enlarged, for example, with respect to the first state. During a transition from the first to the second state, a negative pressure in the Teiikavität 38 arise. During a transition from the second state to the first state, a negative pressure in the Teiikavität 38 arise. Between a deformable element 22a or 22b and the substrate 14, a Teiikavität 42a and 42b is arranged, the volumes of which can be reduced or enlarged complementary to the volume of Teiikavität 38, also complementary to Teiikavität 38 based on an overpressure or negative pressure can be obtained on the deformation of the deformable elements.
In einem Bereich einer jeweiligen Öffnung 26 kann eine Ventilstruktur 85a-f angeordnet sein. Eine oder mehrere Ventilstrukturen 85a-f können bspw. aus einem Material des Substrats 14 gebildet sein. Die Ventilstrukturen können einstückig mit einer oder mehreren Schichten des Substrats 14 gebildet sein und bspw. mittels eines Ätzprozesses er- zeugt werden. In a region of a respective opening 26, a valve structure 85a-f may be arranged. For example, one or more valve structures 85a-f may be formed of a material of the substrate 14. The valve structures may be formed integrally with one or more layers of the substrate 14 and, for example, be produced by means of an etching process.
Die Ventilstrukturen können ausgebildet sein, um einen Durchfluss des Volumenstroms 12 durch die Öffnung 26 zumindest entlang einer Richtung zu behindern, d. h., zu reduzieren oder zu verhindern. Bspw. können die Ventilstrukturen 85b, 85d und 85f ausgebildet sein, um einen Austritt des Fluids aus der jeweiligen Teiikavität zu reduzieren oder zu verhindern. Alternativ oder zusätzlich können die Ventilstrukturen 85a, 85c und 85e ausgebildet sein, um einen Eintritt des Fluids in die jeweilige Teiikavität zu reduzieren oder zu verhindern. Eine oder mehrere Ventilstrukturen 85a-f können passiv ausgebildet sein, etwa als einseitig eingespannte Biegebalkenstruktur oder Zungenstruktur. Alternativ oder zusätzlich können eine oder mehrere Ventilstrukturen 85a-f aktiv ausgebildet sein, etwa als elekiromechanischer Wandler oder verformbares Element. Vereinfacht ausgedrückt, können die Ventilstrukturen 85a-f wie die anderen Aktoren (elektromechanischer Wandler) des MEMS-Wandlers aktuierbar sein. The valve structures may be configured to obstruct, ie, reduce or prevent flow of the volume flow 12 through the opening 26 at least along one direction. For example. For example, the valve structures 85b, 85d, and 85f may be configured to reduce or prevent leakage of the fluid from the respective partial cavity. Alternatively or additionally, the valve structures 85a, 85c and 85e may be formed to reduce or prevent ingress of the fluid into the respective partial cavity. One or more valve structures 85a-f may be passively formed, such as a cantilevered cantilever structure or tongue structure. Alternatively or additionally, one or more valve structures 85a-f may be actively formed, such as an electro-mechanical transducer or deformable element. Put simply, For example, the valve structures 85a-f can be actuated like the other actuators (electromechanical converter) of the MEMS converter.
Die Ventilstruktur 85d kann bspw. ausgebildet sein, um basierend auf einem Unterdruck in der Teilkavitat 38 den Volumenstrom 12 in die Teilkavitat 38 einströmen zu lassen, während die Ventilstruktur 85c gleichzeitig einen Eintritt des Volumenstrom 12 in die Teilkavitat 38 reduziert oder verhindert. Tritt, wie in Fig. 12b gezeigt, ein Überdruck in der Teilkavitat 38 auf, so kann die Ventilstruktur 85c ausgebildet sein, um basierend auf dem Überdruck den Volumenstrom 12 aus der Teilkavitat 38 ausströmen zu lassen, während die Ventilstruktur 85d gleichzeitig einen Austritt des Volumenstrom 12 aus der Teilkavitat 38 reduziert oder verhindert. The valve structure 85d may, for example, be designed to allow the volume flow 12 to flow into the subcavity 38 based on a negative pressure in the subcavity 38, while the valve structure 85c simultaneously reduces or prevents the volume flow 12 from entering the subcavity 38. Occurs, as shown in Fig. 12b, an overpressure in the Teilkavitat 38, the valve structure 85 c may be formed to flow based on the excess pressure, the flow rate 12 from the Teilkavitat 38, while the valve structure 85 d at the same time a discharge of the volume flow 12 reduced or prevented from the Teilkavitat 38.
Eine Funktion der Ventilstrukturen 85a, 85b bzw. 85e und 85f kann bzgl. der Teilkavitäten 42a bzw. 42b gleich oder vergleichbar sein. Die Ventilstrukturen 85a-f können auch als Rückschlagventile bezeichnet werden und ermöglichen bspw. eine Einstellung einer Vorzugsrichtung des Volumenstrom 12. A function of the valve structures 85a, 85b or 85e and 85f may be the same or comparable with respect to the partial cavities 42a and 42b. The valve structures 85a-f may also be referred to as check valves and allow, for example, a setting of a preferred direction of the volume flow 12th
Obwohl der MEMS-Wandler so beschrieben ist, dass bspw. der Volumenstrom aus den Teilkavitäten 38, 42a und 42b entlang der gleichen Richtung (positive y-Richtung) und während unterschiedlichen Zeitintervallen, während denen ein Übergang zwischen dem ersten und dem zweiten Zustand erfolgt, strömt, können die Ventilstrukturen auch so angeordnet sein, dass der Volumenstrom aus zumindest einer Teilkavität 38, 42a oder 42b entlang einer anderen Richtung, etwa der negativen y-Richtung strömt. Obwohl der MEMS-Wandler so beschrieben ist, dass die Ventilstrukturen 85a-f an jeder Öffnung 26 angeordnet sind, können alternativ Ventilstrukturen an keiner oder lediglich einigen Öffnungen 26 angeordnet sein. Although the MEMS transducer is described as having, for example, the volumetric flow from the subcavities 38, 42a and 42b along the same direction (positive y direction) and during different time intervals during which transition occurs between the first and second states, flows, the valve structures may also be arranged so that the volume flow from at least one Teilkavität 38, 42 a or 42 b flows along another direction, such as the negative y-direction. Although the MEMS transducer is described as having valve structures 85a-f disposed on each aperture 26, valve structures may alternatively be disposed on none or only a few apertures 26.
Obwohl die Ventilstrukturen für eine Funktion als Rückschlagventil passiv ausgeführt sein können, können die Ventilstrukturen auch aktiv gebildet sein, das bedeutet, sie können ansteuerbar sein und im Sinne von Aktuatoren basierend auf der Ansteuerung einen geöffneten oder geschlossenen Zustand des Ventils bereitstellen. Insbesondere können zwei Ventilstrukturen 85a und 85b, 85c und 85d oder 85e und 85f, die jeweils einer Teilkavität zugeordnet sind, so angesteuert werden, dass Druckpulse in dem Fluidstrom 12 entstehen, etwa durch eine mit dem MEMS-Wandler verbundene Steuereinrichtung. Bspw. kann eine Aktuierung der elektromechanischen Wandler 18 so erfolgen, dass ein Über- oder Unterdruck in dem Fluid innerhalb der Teilkavitäten 42a, 42b aufgebaut wird und erst dann eine Öffnung der Ventilstrukturen 85a-f angesteuert wird. Although the valve structures may be passive for a function as a check valve, the valve structures may also be actively formed, that is, they may be controllable and provide an open or closed state of the valve in the sense of actuators based on the drive. In particular, two valve structures 85a and 85b, 85c and 85d or 85e and 85f, which are each assigned to a partial cavity, can be controlled such that pressure pulses are generated in the fluid flow 12, for instance by a control device connected to the MEMS converter. For example. An actuation of the electromechanical transducers 18 can take place in such a way that a Over- or underpressure is built up in the fluid within the partial cavities 42a, 42b and only then an opening of the valve structures 85a-f is activated.
In anderen Worten kann mit derartigen Druckpulsen auch eine näherungsweise Nachbil- dung einer niederfrequenten Schallwelle durch kurze Druckpulse erreicht werden. Durch mehrere seriell hintereinander angeordnete Kammern kann dies in nahezu kontinuierlicher Weise geschehen. Ähnlich ist das auch mit parallel nebeneinander liegenden Kammern möglich. Fig. 12a zeigt ein Beispiel im nicht aktuierten Zustand, bei dem jede Kammer oben und unten mit je einem Ventil versehen ist, das aktiv gebildet sein kann. Jedes Ventil kann individuell geöffnet oder geschlossen werden. Auch eine teilweise Öffnung/Schließung ist denkbar. Die Ventilbalken können genauso gestaltet bzw. betrieben werden, wie die beweglichen Seitenwände, d. h., die verformbaren Elemente. Sie können also auf demselben oder gleichen Aktorprinzip beruhen. Dabei können diese Ventil- Biegebalken auch so ausgestaltet werden, dass sie in beide Richtungen bewegbar sind, bzw. die Öffnung (durch entsprechende vom Biegeaktor-Ventil aufzubringende Gegenkraft) bei Fluidfluss, schließen (bis auf einen sehr kleinen Spalt, der für die Bewegung erforderlich ist Mit diesem Aufbau ist die volle Flexibilität zur Steuerung des Fluidflusses in Bezug auf Richtung bzw. Unter-/Überdruck gegeben, und zwar individuell für jede Kammer. Steht die Richtung für den Fluidfluss fest, kann auch mit Anschlägen für die Ventil- Balken gearbeitet werden („Rückschlagventil"). In other words, with such pressure pulses an approximate reproduction of a low-frequency sound wave by short pressure pulses can be achieved. By a plurality of chambers arranged serially one behind the other, this can be done in a nearly continuous manner. Similarly, this is possible with parallel adjacent chambers. Fig. 12a shows an example in the non-actuated state, in which each chamber is provided at the top and bottom with a respective valve, which can be actively formed. Each valve can be opened or closed individually. Even a partial opening / closing is conceivable. The valve beams can be designed and operated in the same way as the movable side walls, i. h., the deformable elements. They can therefore be based on the same or the same actuator principle. In this case, these valve bending beams can also be designed so that they are movable in both directions, or the opening (by appropriate applied by the bending actuator valve counterforce) in fluid flow, close (except for a very small gap required for the movement With this design, there is full flexibility to control the fluid flow in terms of direction, under / over pressure, individually for each chamber, and if the fluid flow direction is fixed, valve stem stops can also be used ("Check valve").
In nochmals anderen Worten kann im ersten Zustand die mittlere Kammer (Teilkavität 38) durch die beiden dunkel dargestellten Aktoren (verformbaren Elemente 22a und 22b) expandiert werden, während die beiden äußeren Kammern (Teilkavitäten 42a und 42b) komprimiert werden. Erstere Kammer füllt sich über das Rückschlagventil 85d mit dem Fluid aus dem unteren Bereich. Letztere drücken durch das Rückschlagventil 85a bzw. 85e Fluid in den oberen Bereich. Im zweiten Zustand wird die mittlere Kammer komprimiert. Fluid wird in den oberen Bereich gedrückt. Die äußeren Kammern füllen sich mit dem Fluid aus dem unteren Bereich. In still other words, in the first state, the middle chamber (partial cavity 38) can be expanded by the two dark actuators (deformable elements 22a and 22b), while the two outer chambers (partial cavities 42a and 42b) are compressed. The first chamber fills via the check valve 85d with the fluid from the lower region. The latter push fluid into the upper area through the check valve 85a or 85e. In the second state, the middle chamber is compressed. Fluid is pushed into the upper area. The outer chambers fill with the fluid from the lower area.
Fig. 13 zeigt eine schematische Ansicht eines ersten verformbaren Elements 22a und eines zweiten verformbaren Elements 22b, die entlang einer lateralen Erstreckungsrich- tung 98 des verformbaren Elements 22a und/oder 22b miteinander verbunden sind. Zwischen dem verformbaren Element 22a und dem verformbaren Element 22b ist ein Fe- derelement 102 angeordnet. Das Federelement 102 kann reduzierte mechanisch induzierte Rückstellkräfte in den verformbaren Elementen 22a und 22b bewirken. Beispielsweise kann das Federelement 102 in einer Richtung 98', die senkrecht zu der Richtung 98 angeordnet ist, eine geringe Steifigkeit aufweisen und entlang einer Richtung 98", die senkrecht zu der Richtung 98 und 98' im Raum angeordnet sein kann, eine hohe Steifigkeit. Die verformbaren Elemente 22a und 22b und das Federelement 102 können beispiels- weise als das verformbare Element 22a in dem MEMS-Wandler 1 10 angeordnet sein. 13 shows a schematic view of a first deformable element 22a and a second deformable element 22b, which are connected to one another along a lateral extension direction 98 of the deformable element 22a and / or 22b. Between the deformable element 22a and the deformable element 22b, a spring element 102 is arranged. The spring element 102 can cause reduced mechanically induced restoring forces in the deformable elements 22a and 22b. For example For example, the spring element 102 may have a low rigidity in a direction 98 ', which is perpendicular to the direction 98, and a high rigidity along a direction 98 ", which may be arranged perpendicular to the direction 98 and 98' deformable elements 22a and 22b and the spring element 102 can be arranged, for example, as the deformable element 22a in the MEMS converter 110.
In anderen Worten können zur Zugentlastung der beidseitig eingespannten S-förmigen Aktoren 22a-d an Einspannungsorten oder beispielsweise auch in einem Bereich zwischen Einspannungsorten, etwa mittig, der Aktoren geeignete Federelemente 102 ange- ordnet werden. Das Federelement 102 ist beispielsweise in der Mitte der Aktoren eingesetzt und ist in der gewünschten Richtung (98') besonders flexibel und in den beiden Richtungen (98 und 98") steif, d. h. es weist eine hohe oder höhere Steifigkeit auf. Das Federelement 102 kann zwischen auslenkbaren Enden der verformbaren Elemente 22a und 22b angeordnet sein. Das Federelement 102 kann entlang der lateralen Bewegungsrich- tung 24 eine geringere Steifigkeit aufweisen als in eine Richtung senkrecht zu der lateralen Bewegungsrichtung 24. In other words, suitable spring elements 102 can be arranged for strain relief of the S-shaped actuators 22a-d clamped on both sides at clamping locations or, for example, also in a region between clamping locations, approximately in the center. The spring element 102 is, for example, inserted in the middle of the actuators and is particularly flexible in the desired direction (98 ') and rigid in the two directions (98 and 98 "), ie it has a high or high rigidity The spring element 102 may have a lower stiffness along the lateral movement direction 24 than in a direction perpendicular to the lateral movement direction 24.
Fig. 14 zeigt eine schematische Ansicht eines Stapels 140 umfassend einen MEMS- Wandler 80'a und einen MEMS-Wandler 80'b, die miteinander verbunden sind und vergli- chen mit dem MEMS-Wandler 80 eine gemeinsame Schicht 32 aufweisen, das bedeutet, eine Schicht 32a oder 32b des MEMS-Wandlers 80 ist entfernt. Die elektronische Schaltung 17 kann ausgebildet sein, um die MEMS-Wandler 80'a und 80'b gemeinsam anzusteuern. Alternativ hierzu kann jeder der MEMS-Wandler 80'a und 80'b eine zugeordnete elektronische Schaltung aufweisen. 14 shows a schematic view of a stack 140 comprising a MEMS converter 80'a and a MEMS converter 80'b, which are connected to one another and, in comparison with the MEMS converter 80, have a common layer 32, which means a layer 32a or 32b of the MEMS converter 80 is removed. The electronic circuit 17 may be configured to jointly drive the MEMS converters 80'a and 80'b. Alternatively, each of the MEMS converters 80'a and 80'b may have an associated electronic circuit.
Ferner weist der MEMS-Wandler 80'a in der Schicht 32b die Öffnungen 26 auf, das bedeutet, verglichen mit dem MEMS-Wandler 80 ist eine Abstrahlrichtung des Volumenstroms 12 bzw. einer Eindringrichtung des Volumenstroms 12 senkrecht verkippt. Das bedeutet, dass eine Deckelfläche des MEMS-Wandlers eine Außenseite des Stapels bil- den kann, wobei der MEMS-Wandler eine Öffnung in der Deckelfläche aufweisen kann, die einer dem zweiten MEMS-Wandler zugewandten Seite abgewandt angeordnet ist, wobei der Volumenstrom 12 des MEMS-Wandlers 80'a senkrecht oder entgegengesetzt zu dem Volumenstrom des MEMS-Wandlers 80'b aus oder in die Kavität eintritt. An dem MEMS-Wandler 80'a kann ein Membranelement 104 angeordnet sein. Das Membranelement 104 kann so angeordnet sein, dass ein Austritt des Volumenstroms 12 aus der Kavität und durch das Membranelement 104 hindurch oder ein Eintritt des Volumenstroms 12 in die Kavität 16 zumindest teilweise zu verhindert ist. Die Kavität kann sich auf Bereiche ersteckend, die außerhalb des MEMS-Wandlers 80'a angeordnet sind und zwischen dem MEMS-Wandler 80'a und dem Membranelement 104 angeordnet sind. Basierend auf dem Volumenstrom 12 kann eine Auslenkung des Membraneiements 104 bewirkbar sein. Das Membranelement 104 kann bspw. mittels einer Rahmenstruktur 106 an dem MEMS-Wandler 80'a angeordnet sein. Die Rahmenstruktur 106 kann an einer Seite des MEMS-Wandlers 80'a angeordnet sein, etwa an einer Hauptseite der Schicht 32b. Furthermore, the MEMS converter 80'a in the layer 32b, the openings 26, which means, compared to the MEMS converter 80, a radiation direction of the volume flow 12 and a direction of penetration of the volume flow 12 is tilted vertically. This means that a cover surface of the MEMS converter can form an outer side of the stack, wherein the MEMS converter can have an opening in the cover surface, which is arranged facing away from a side facing the second MEMS converter, wherein the volume flow 12 of the MEMS transducer 80 'a perpendicular or opposite to the flow of the MEMS converter 80' b from or enters the cavity. A membrane element 104 can be arranged on the MEMS converter 80 ' a. The membrane element 104 may be arranged so that an outlet of the volume flow 12th from the cavity and through the membrane element 104 or an entrance of the volume flow 12 into the cavity 16 is at least partially prevented. The cavity may extend to regions disposed outside of the MEMS transducer 80'a and disposed between the MEMS transducer 80'a and the membrane element 104. Based on the volume flow 12, a deflection of the membrane element 104 can be effected. The membrane element 104 can be arranged, for example, by means of a frame structure 106 on the MEMS converter 80 'a. The frame structure 106 may be disposed on a side of the MEMS converter 80'a, such as on a major side of the layer 32b.
Alternativ kann auch eine Verkippung um einen von 90° verschiedenen Winkel ausgeführt sein. Der MEMS-Wandler 80'b kann Öffnungen an oder in der Schicht 32b aufweisen, so dass der Volumenstrom 12 an zwei Seiten des Stapels 140 in Kavitäten und/oder aus Kavitäten ein- bzw. austreten kann, wobei die Seiten einander entgegengesetzt angeord- net sind. Alternatively, a tilt can be performed by an angle different from 90 °. The MEMS converter 80 'b may have openings on or in the layer 32 b so that the volume flow 12 can enter and exit cavities on two sides of the stack 140 and / or out of cavities, the sides being arranged opposite to one another are.
Alternativ oder zusätzlich kann der Stapel 140 auch einen weiteren oder anderen MEMS- Wandler aufweisen, etwa den MEMS-Wandler 20 oder 80. Beispielsweise kann der MEMS-Wandler 20 zwischen den MEMS-Wandlern 80'a und 80'b angeordnet sein. Dies ermöglicht einen Eintritt oder Austritt des Volumenstroms 12 in oder aus Kavitäten entlang einer Richtung, die senkrecht zu einer entsprechenden Richtung des MEMS-Wandlers 80'a ist. Alternatively or additionally, the stack 140 may also comprise a further or different MEMS converter, for example the MEMS converter 20 or 80. For example, the MEMS converter 20 may be arranged between the MEMS converters 80'a and 80'b. This allows entry or exit of the volumetric flow 12 into or out of cavities along a direction that is perpendicular to a corresponding direction of the MEMS transducer 80'a.
In anderen Worten können Schallaustrittsöffnungen 26 statt an den Chipseitenflächen auch im unteren Deckel 32a und/oder im oberen Deckel 32b angebracht sein. Fig. 14 zeigt eine entsprechende vereinfachte Darstellung. Die Öffnungen 26 im oberen Deckel 32b sind erkennbar. Ähnliche Öffnungen können sich im unteren Deckel 32b befinden, sind jedoch basierend auf der perspektivischen Ansicht nicht erkennbar. Die Schicht 32 kann ebenfalls Öffnungen aufweisen, das bedeutet, Kavitäten, Teilkavitäten und/oder Teilkavitätsabschnitte der MEMS-Wandler 80'a und 80'b können miteinander verbunden sein. Über die Öffnungen in der Schicht 32 können vertikal (entlang der z-Richtung) übereinanderliegende Kammern miteinander verbunden sein. In other words, sound exit openings 26 may also be mounted in the lower lid 32a and / or in the upper lid 32b instead of on the chip side surfaces. Fig. 14 shows a corresponding simplified representation. The openings 26 in the upper lid 32b can be seen. Similar openings may be in the lower lid 32b, but are not recognizable based on the perspective view. The layer 32 may also have openings, that is, cavities, partial cavities and / or partial cavity portions of the MEMS transducers 80'a and 80'b may be interconnected. Via the openings in the layer 32 may be vertically interconnected (along the z-direction) superimposed chambers.
Ein Gitter umfassend ein oder mehrere Stabelemente (Gitterstege) 44, das zur Einstellung der Dämpfung und insbesondere als Schutz vor Partikeln ausgebildet sein kann, kann auch in der in Fig. 14 beschriebenen Variante einfach realisiert werden. Beispielsweise können die Öffnungen 26 in den oberen Deckel 32b bzw. den unteren Deckel 32a durch ein nass- oder trockenchemisches Ätzverfahren ausgebildet werden. Vor der Ätzung kann in einer zusätzlich aufgebrachten dünnen Schicht, welche eine geeignet hohe Selektivität gegenüber der Ätzung der Öffnungen hat, das gewünschte Gitter strukturiert werden. Für die Ätzung der Öffnungen 26 kann nun ein Ätzverfahren mit geeigneter hoher Isotropie bzw. lateraler Unterätzung gewählt werden, so dass es zur Unterätzung der Gitterstege 44 kommen kann. Beispielhaft kann das Gitter in einer Siliziumoxid- oder Nitridschicht hergestellt sein und die Deckel aus Silizium, welche dann mittels tiefenreaktiven lonenät- zen (Deep Reactive Ion Etching - DRIE) strukturiert werden können. Dieser Prozess kann so eingestellt werden, dass Unterätzungen in der Größenordnung von Mikrometern erreichbar sind. Alternativ kann beispielsweise eine nasschemische Ätzung mit Tetrame- thylammoniumhydroxid (TMAH) und/oder Kaliumhydroxid (KOH) bzw. Nitridsäure (Nitric Acid - HNA) ausgeführt werden. Bei entsprechender trichterförmige Gestaltung der Öffnungen im unteren Decke! 32a und im oberen Deckel 32b kann so die Schallaustrittsfläche einen größeren Anteil der Chipfläche umfassen und ggf. verglichen mit MEMS-Wandlern, die einen Austritt an einer Seitenfläche aufweisen, wie etwa der MEMS-Wandler 80, größer gestaltet werden. Diese Option bietet in Bezug auf die akustischen Eigenschaften und in Bezug auf die Dämpfung weite- ren Gestaltungsspielraum. Eine Kombination von Schallaustrittsöffnungen in den Deckeln 32a und 32b und den Seitenflächen zwischen den Deckelflächen 32a und 32b ist ein Merkmal weiterer Ausführungsbeispiele. Eine bevorzugte Variante für hochintegrierte Systeme kann die Anbringung von Öffnungen im Deckel 32b umfassen, um den Schall nach oben abzugeben und die Anbringung der Druckausgleichsöffnungen an der Seite umfas- sen, um das Bauelement einfach, beispielsweise auf eine gedruckte Leiterplatte aufbringen zu können. A grid comprising one or more rod elements (grid bars) 44, which can be designed to set the damping and in particular as protection against particles, can also be easily realized in the variant described in FIG. 14. For example For example, the openings 26 in the upper lid 32b and the lower lid 32a may be formed by a wet or dry chemical etching process. Before the etching, the desired lattice can be patterned in an additionally applied thin layer, which has a suitably high selectivity for the etching of the openings. For the etching of the openings 26, an etching process with a suitable high isotropy or lateral undercutting can now be selected so that the grid webs 44 can be undercut. By way of example, the lattice can be produced in a silicon oxide or nitride layer and the lids can be made of silicon, which can then be structured by means of deep reactive ion etching (DRIE). This process can be set to achieve undercuts on the order of microns. Alternatively, for example, a wet-chemical etching with tetramethylammonium hydroxide (TMAH) and / or potassium hydroxide (KOH) or nitric acid (nitric acid - HNA) can be carried out. With appropriate funnel-shaped design of the openings in the lower ceiling! 32a and in the upper lid 32b, the sound exit surface may thus comprise a larger portion of the chip area and be made larger, if necessary, as compared to MEMS converters having an exit on a side surface, such as the MEMS converter 80. This option offers further freedom in terms of acoustic properties and damping. A combination of sound exit openings in the covers 32a and 32b and the side surfaces between the cover surfaces 32a and 32b is a feature of further embodiments. A preferred variant for highly integrated systems may include the provision of openings in the lid 32b to deliver the sound upwards and include the attachment of the pressure equalization openings on the side in order to be able to easily apply the component to a printed circuit board, for example.
Generell können die Schalleintrittsöffnungen bzw. Schallaustrittsöffnungen 26 so gestaltet werden, dass die akustischen Eigenschaften und/oder die Dämpfungseigenschaften ge- zielt eingestellt werden. Die unteren und/oder oberen Schichten 32a und 32b können prinzipiell ebenfalls schwingungsfähig sein. Die Schwingung dieser Elemente kann durch geeignete zusätzliche Verbindungselemente in den dazwischenliegenden Schichten 34a und 34b bzw. 36 unterdrückt bzw. reduziert werden, etwa durch die Ankerelemente 84. Die Unterdrückung oder Reduzierung kann umfassen, die Schwingung in einen Fre- quenzbereich zu verschieben, der außerhalb des Hörschalls liegt. Alternativ oder zusätzlich kann die Schwingung der Schichten 32a und/oder 32b auch gezielt zur Optimierung der akustischen Abstrahlung implementiert sein, wobei ebenfalls gezielte Verbindungen in den Schichten einsetzbar sein können und zusätzlich die Steifigkeit bzw. die akustischen Eigenschaften der Schichten 32a und 32b durch entsprechende Strukturierung (durchgehende Öffnungen oder Sacklöcher) einstellbar sein können. In general, the sound inlet openings or sound outlet openings 26 can be designed such that the acoustic properties and / or the damping properties are set in a targeted manner. The lower and / or upper layers 32a and 32b may in principle also be capable of oscillation. The oscillation of these elements can be suppressed or reduced by suitable additional connecting elements in the intermediate layers 34a and 34b or 36, for example by the armature elements 84. The suppression or reduction can include shifting the oscillation into a frequency range outside of the sound of hearing lies. Alternatively or additionally, the oscillation of the layers 32a and / or 32b can also be targeted for optimization be implemented the acoustic radiation, whereby also targeted compounds can be used in the layers and additionally the stiffness or the acoustic properties of the layers 32a and 32b by appropriate structuring (through holes or blind holes) can be adjustable.
Außerdem ist es möglich, auf den oberen Deckel 32b eine Membran aufzubringen, welche dann durch den Volumenstrom 12 der Kammern zu einer Schwingung angeregt wird. Dies ist schematisch durch die gestrichelte Linie 04 angedeutet. In einem einfachen Fall kann dazu auf dem oberen Deckel 32b ein Abstandshalter in Form eines Rahmens oder Spacers (Abstandshalter) 106 angeordnet sein, an dem die Membran 104 angeordnet oder aufgespannt sein kann. Die Herstellung einer solchen Membran 104 kann mit bekannten mikromechanischen Prozessen erfolgen. Alternativ kann die Membran 104 auch im Inneren der Kavität oder Teilkavität angeordnet sein und/oder lediglich eine oder einen Anteil der Öffnungen 26 bedecken. In addition, it is possible to apply a membrane to the upper lid 32b, which is then excited by the volume flow 12 of the chambers to vibrate. This is indicated schematically by the dashed line 04. In a simple case, a spacer in the form of a frame or spacer (spacer) 106 may be arranged on the upper cover 32b, on which the membrane 104 may be arranged or clamped. The production of such a membrane 104 can take place with known micromechanical processes. Alternatively, the membrane 104 can also be arranged in the interior of the cavity or partial cavity and / or cover only one or a portion of the openings 26.
Für manche der vorangehend beschriebenen Ausführungsbeispiele der MEMS-Wandler (etwa MEMS-Lautsprecher-Bauelemente) kann gelten, dass es Kammern gibt, welche unabhängig von einigen, mehreren oder allen anderen Kammern einen Teilvolumenstrom erzeugen können, etwa in Teilkavitäten oder Teilkavitätsabschnitten. Es können Kammern realisiert sein, welche aus in lateraler und/oder vertikaler Richtung zusammenhängenden Teilkammern bestehen (lateral siehe beispielsweise Fig. 10 und 1 1 ) (vertikal siehe beispielsweise Fig. 14), wobei Ausführungsbeispiele auch eine Kombination hiervon zeigen. Solche zusammenhängenden Teilkammern (etwa die Teilkavitätsabschnitte 94a und 94b) können genutzt werden, um einen von anderen Kammern oder Teilkammern unabhängi- gen oder abhängigen Teilvolumenstrom zu erzeugen. Ein Fall, in welchem eine Kammer (Teilkavität) einen Volumenstrom unabhängig voneinander erzeugen kann, kann als Mo- no-Kammer bezeichnet werden. Eine Kammer, die basierend auf mehreren Teilkammern (Teilkavitätsabschnitte) einen Volumenstrom erzeugen kann, kann als Komposit-Kammer bezeichnet werden. For some of the above-described embodiments of MEMS converters (such as MEMS loudspeaker components), it can be said that there are chambers which can generate a partial volume flow independent of some, several or all other chambers, for example in partial cavities or partial cavity sections. Chambers can be realized which consist of subchambers which are contiguous in the lateral and / or vertical direction (laterally see, for example, FIGS. 10 and 11) (vertically see, for example, FIG. 14), wherein exemplary embodiments also show a combination thereof. Such contiguous subchambers (such as subcavity sections 94a and 94b) may be utilized to create a subvolume stream independent or dependent on other chambers or subchambers. A case in which a chamber (partial cavity) can generate a volume flow independently of one another can be referred to as a mono-chamber. A chamber that can generate a volume flow based on a plurality of subchambers (subcavity sections) may be referred to as a composite chamber.
Vorangehend beschriebene Ausführungsbeispiele sind so modifizierbar, dass beide Arten von Kammern beliebig kombinierbar sind. Es sind also Ausführungsbeispiele möglich, bei welchen ausschließlich Mono-Kammern oder ausschließlich Komposit-Kammem angeordnet sind. Alternativ sind Ausführungsbeispiele realisierbar, bei denen beide Kammerar- ten angeordnet sind. in andere Worten können bei Verwendung von ausschließlich Mono-Kammern die Resonanzfrequenzen aller Aktor-/Kammersysteme identisch sein oder auch unterschiedlich gestaltet werden. So können beispielsweise bestimmte Frequenzbereiche in der Schallabstrahlung durch eine vermehrte Anzahl entsprechender Mono-Kammern hervor- gehoben werden. Insbesondere kann durch entsprechende Verteilung der Resonanzfrequenzen und die Breite der Resonanzkurven via der Dämpfung z. B. durch die Dimensionierung der Gitteröffnungen oder allgemein der Schallaustrittsöffnungen bzw. der Strömungskanäle eine Gestaltung des Frequenzverlaufs (Schalldruckpegel als Funktion der Frequenz) erreicht werden. Vor allem die Glättung des Frequenzverlaufs spielt dabei eine wesentliche Rolle. Previously described embodiments are modifiable so that both types of chambers are arbitrarily combinable. Thus, embodiments are possible in which only mono-chambers or exclusively composite combs are arranged. Alternatively, embodiments can be realized in which both chamber types are arranged. in other words, when using only mono-chambers, the resonance frequencies of all actuator / chamber systems can be identical or can be designed differently. Thus, for example, certain frequency ranges in the sound radiation can be highlighted by an increased number of corresponding mono-chambers. In particular, by appropriate distribution of the resonance frequencies and the width of the resonance curves via the damping z. B. by the dimensioning of the grid openings or generally the sound outlet openings or the flow channels, a design of the frequency response (sound pressure level as a function of frequency) can be achieved. Above all, the smoothing of the frequency response plays an essential role.
Teilkavitäten und/oder Teilkavitätsabschnitte können basierend auf räumlichen Ausdehnungen der Volumina, einer Geometrie der elektromechanischen Wandler und/oder einer Frequenz mit der die elektromechanischen Wandler betrieben werden, den Volumenstrom mit unterschiedlicher Frequenz aussenden und/oder auf die Erfassung bestimmter Frequenzen des Volumenstroms optimiert sein. Partial cavities and / or partial cavity sections can be based on spatial expansions of the volumes, a geometry of the electromechanical transducers and / or a frequency with which the electromechanical transducers are operated to emit the volume flow at a different frequency and / or be optimized for the detection of certain frequencies of the volume flow.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel sind ausschließlich Mono-Kammern verwendet. Die Schallaustrittsöffnungen können ausschließlich seitlich angeordnet sein. Drei Chips/Scheiben (MEMS-Wandler) können übereinander gestapelt sein. Der obere Chip kann für eine Schallabstrahlung in einem ersten (etwa hohen Frequenzbereich) optimiert sein. Ein zweiter, etwa mittlerer, MEMS-Wandler kann einen zweiten Frequenzbereich (etwa mittlere Frequenzen) angepasst sein. Ein dritter MEMS-Wandler kann für einen dritten Frequenzbereich angepasst sein, etwa für tiefe Frequenzen. Damit kann ein Drei- Wege-Lautsprecher erhalten werden. Die Anordnung der drei Kanäle (drei MEMS- Wandler) könnte ebenso in einem Chip geschehen, indem lateral eine erste Anzahl N, von Kammern für die hohen Frequenzen, eine zweite Anzahl N2 von Kammern für mittlere Frequenzen und eine dritte Anzahl N3 für tiefe Frequenzen verwendet wird. Dieses Prinzip ist für ein N-Wegesystem in lateraler und bei Stapelung auch in vertikaler Richtung ein- fach erweiterbar. In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist ein N-Wegesystem so ausgestaltet, dass der Schall über Fouriersynthese der entsprechenden Harmonischen mit den Frequenzen N*f, erzeugt werden, wobei f, die niedrigste Frequenz darstellt. In a further embodiment, only mono-chambers are used. The sound outlet openings can be arranged only laterally. Three chips / disks (MEMS converters) can be stacked on top of each other. The upper chip may be optimized for sound radiation in a first (eg high frequency range). A second, approximately middle, MEMS converter may be adapted to a second frequency range (approximately medium frequencies). A third MEMS converter may be adapted for a third frequency range, such as low frequencies. This can be a three-way speaker can be obtained. The arrangement of the three channels (three MEMS converters) could also be done in one chip by adding laterally a first number N, of chambers for the high frequencies, a second number N 2 of chambers for middle frequencies and a third number N 3 for low frequencies Frequencies is used. This principle can easily be extended for an N-way system in lateral and stacking, even in the vertical direction. In another embodiment, an N-path system is configured to generate the sound via Fourier synthesis of the respective harmonics having the frequencies N * f, where f, represents the lowest frequency.
Das bedeutet, dass ein MEMS-Wandler mit zumindest einem weiteren MEMS-Wandler zu einem Stapel angeordnet sein kann, wobei ein Stapel bspw. durch eine Anordnung von zumindest zwei MEMS-Wandlern entlang einer lateralen Richtung (etwa der x-Richtung) und/oder einer Dickenrichtung (etwa der z-Richtung) erhalten werden kann. Alternativ können die MEMS-Wandler auch beabstandet von einander angeordnet sein. Die Kavität des MEMS-Wandlers und die Kavität des zumindest einem weiteren (zweiten) MEMS- Wandlers können eine von einander verschiedene Resonanzfrequenz aufweisen. This means that a MEMS converter with at least one further MEMS converter can be arranged in a stack, wherein a stack, for example, by an arrangement of at least two MEMS transducers along a lateral direction (approximately the x-direction) and / or a thickness direction (about the z-direction) can be obtained. Alternatively, the MEMS transducers may also be spaced from each other. The cavity of the MEMS converter and the cavity of the at least one further (second) MEMS converter may have a resonance frequency which differs from one another.
Bei einem Aktorbetrieb, d. h., die verformbaren Elemente werden aktiv verformt, kann ein N-Wege Lautsprecher erhalten werden, wobei N eine Anzahl von MEMS-Wandlern mit voneinander verschiedenen Resonanzfrequenzen bezeichnet. Bei einem Sensorbetrieb können bspw. voneinander verschiedene Frequenzbereiche des Volumenstroms mit ver- schiedenen MEMS-Wandlern erfasst werden. Dies ermöglicht bspw. eine Fouriersynthese des Volumenstroms. Bspw. kann die Steuervorrichtung 128 ausgebildet sein, um die Verformung der verformbaren Elemente eines oder mehrerer der elektromechanischen Wandler des MEMS-Wandlers und des weiteren MEMS-Wandlers zu erfassen. Die Steuervorrichtung kann ausgebildet sein, um eine Fouriersynthese (Fourieranalyse) basierend auf den elektrischen Signalen zu berechnen und ein Ergebnis auszugeben. In an actuator operation, i. that is, the deformable elements are actively deformed, an N-way loudspeaker can be obtained, where N denotes a number of MEMS transducers with mutually different resonance frequencies. In a sensor operation, for example, different frequency ranges of the volume flow can be detected with different MEMS transducers. This allows, for example, a Fourier synthesis of the volume flow. For example. For example, the controller 128 may be configured to detect the deformation of the deformable elements of one or more of the electromechanical transducers of the MEMS transducer and the another MEMS transducer. The control device may be configured to calculate a Fourier synthesis based on the electrical signals and output a result.
Die eben dargestellten Beispiele unter Verwendung von Mono-Kammern können ebenso bei Verwendung von Komposit-Kammern realisiert werden, wobei die einzelnen Teilkammern einer Komposit-Kammer identische Resonanzfrequenzen aufweisen. The examples just described using mono-chambers can also be realized when using composite chambers, wherein the individual sub-chambers of a composite chamber have identical resonance frequencies.
Bei Verwendung von Komposit-Kammern können die zusammenhängenden Teilkammern aber auch unterschiedliche Frequenzen durch entsprechende Lage der Resonanzmaxima unterstützen. So könnten beispielsweise drei Teilkammern ein Drei-Wege-System darstellen. Der z. B. in der hinteren Teilkammer (erster Abschnitt entlang einer axialen Ausdeh- nung) tieffrequent modulierte Luftstrom würde in der mittleren Teilkammer (zweiter Abschnitt entlang einer axialen Ausdehnung) zusätzlich eine mittelfrequente und im vorderen Teil der Kammer (dritter Abschnitt entlang einer axialen Ausdehnung) zusätzlich eine hochfrequente Modulation erfahren. Bei hohen Frequenzen kein ein erforderlicher Hub, also eine Auslenkung der elektromechanischen Wandler geringer sein, als bei tiefen Frequenzen, um den gleichen Schalldruck zu erzeugen. Die Kammern oder Teilkammern, welche für hohe Frequenzen eingesetzt werden, können damit mit geringerem Kammervolumen bzw. Abstand der die Kammer eingrenzenden aktorischen Seitenwände gestaltet werden. Beim Betrieb kann zwischen Kammern gleicher Frequenz ein Phasenversatz über die Ansteuerung eingebracht werden, so dass die Wellenfront verkippt wird und nicht senkrecht zur Oberfläche austritt (Phased-Array). In allen bisher und im Folgenden vorgestellten Varianten ist jede Kammer von mindestens einer zweiten Kammer umgeben, in welche zum Druckausgleich Luft einströmt, wenn in die erste Kammer Luft einströmt bzw. anders herum. Offensichtlich ist dies vor allem dann, wenn zwischen diesen Kammern keine Trennwände existieren, da ein Aktor bei seiner Bewegung das Volumen der einen Kammer vergrößert und dabei gleichzeitig das Volumen der anderen Kammer verringert bzw. anders herum. When using composite chambers, the contiguous sub-chambers can also support different frequencies by corresponding position of the resonance maxima. For example, three subchambers could represent a three way system. The z. For example, in the rear part chamber (first section along an axial extension) low-frequency modulated air flow would be additionally medium-frequency in the middle part chamber (second part along an axial extension) and in the front part of the chamber (third part along an axial extension) experience a high-frequency modulation. At high frequencies, not a required stroke, so a deflection of the electromechanical transducer to be lower than at low frequencies to produce the same sound pressure. The chambers or sub-chambers, which are used for high frequencies, can thus be designed with a smaller chamber volume or distance of the chamber bounding the actuator side walls. During operation, a phase offset can be introduced via the control between chambers of the same frequency, so that the wavefront is tilted and does not exit perpendicular to the surface (phased array). In all variants presented heretofore and in the following, each chamber is surrounded by at least one second chamber into which air flows in order to equalize the pressure when air flows into the first chamber or vice versa. Obviously, this is especially true when there are no partitions between these chambers, as an actuator increases the volume of one chamber while reducing the volume of the other chamber, and vice versa.
Für den Einsatz z. B. als Lautsprecher in Hörgeräten oder In-Ear-Kopfhörern wird häufig die Außenluft (also die außerhalb des Ohres) nicht durch den Lautsprecher bewegt. Vielmehr wird lediglich durch die Schwingung z. B. einer Membran das Volumen im Ohrkanal periodisch variiert. Dies kann bei allen dargestellten und im Folgenden vorgestellten Varianten erfolgen, indem die entsprechenden Öffnungen, die bei den dargestellten Varianten entweder auf einer Chipoberseite, einer Chipunterseite oder an einer Chipseitenflächen liegen, verschlossen bleiben. Dazu ist lediglich an diesen Stellen auf die Strukturierung der Stabgitter zu verzichten. For use z. B. as speakers in hearing aids or in-ear headphones is often the outside air (ie the outside of the ear) is not moved through the speaker. Rather, only by the oscillation z. B. a membrane, the volume in the ear canal varies periodically. This can be done in all variants presented and in the following by the corresponding openings, which lie in the illustrated variants either on a chip top side, a chip bottom side or on a chip side surfaces remain closed. For this purpose, it is only at these points to dispense with the structuring of the bar grille.
Generei! gilt und für alle Lautsprechereinsatzgebiete gilt, dass Stabgitter an bestimmten Stellen oder komplett auch durch eine geschlossene Membran ersetzt werden können. Damit wird die Partikelempfindlichkeit maximal reduziert und der Betrieb insbesondere auch in kontaminierenden bzw. korrosiven Gasen und Flüssigkeiten ermöglicht. Generei! applies and applies to all speaker areas, that bar grille can be replaced in certain places or completely by a closed membrane. Thus, the particle sensitivity is maximally reduced and enables the operation in particular in contaminating or corrosive gases and liquids.
Im Folgenden werden Maßnahmen im Design und dem Betrieb der Biegeaktoren vorgestellt, welche zum Ziel haben den gewünschten Frequenzgang möglichst gut darstellen zu können. Durch Einbinden mehrerer zusätzlicher Federelemente, welche den Biegeaktor in einzelne Elemente einteilt, kann die effektive Steifigkeit der Aktoren und damit die Resonanzfrequenz verringert werden. Beispielhaft sei auf Abbildung 15 verwiesen, wo ein einzelnes Federelement eingesetzt wurde, um den Biegeaktor in zwei Elemente zu teilen. Die Einteilung in zwei oder mehr Elemente ist zum Erreichen einer Resonanzfrequenz im niedri- gen Frequenzbereich des Hörschalls wichtig, da die Biegeaktoren ohne eine solche Maßnahme bei üblichen Dimensionen der Biegeaktoren (z. B. Breite 5 μιτι, Länge 2 mm, Mate- rial Silizium) Eigenfrequenzen im kHz-Bereich aufweisen. Alternativ oder zusätzlich kann gezielt ein zusätzliches Masseelement am Biegeaktor oder auch an der ggf. vorhandenen starren Platte vorgesehen werden, um die Resonanzfrequenz zu verringern. Ein solches Element kann in einfacher Weise bei der Strukturierung der Schicht 36 vorgesehen werden. Die Wirkungsweise einer zusätzlichen Masse Am kann an einem Modell des Harmonischen Oszillators erläutert werden. In the following, measures in the design and operation of the bending actuators are presented, which have the goal to represent the desired frequency response as well as possible. By incorporating a plurality of additional spring elements, which divides the bending actuator into individual elements, the effective stiffness of the actuators and thus the resonance frequency can be reduced. For example, see Figure 15, where a single spring element was used to divide the bender into two elements. The division into two or more elements is important for achieving a resonant frequency in the low frequency range of the audible sound, since the bending actuators without such a measure in conventional dimensions of the bending actuators (eg., Width 5 μιτι, length 2 mm, Mate- rial silicon) have natural frequencies in the kHz range. Alternatively or additionally, an additional mass element can be deliberately provided on the bending reactor or also on the optionally present rigid plate in order to reduce the resonance frequency. Such an element can be provided in a simple manner in the structuring of the layer 36. The mode of action of an additional mass Am can be explained on a model of the harmonic oscillator.
Die Schwingungsamplitude Α(ω) eines Elements der Masse m, das über eine Feder der Steifigkeit k aufgehängt ist, ist bei sinusförmiger Anregung mit einer Kraft der Amplitude F0 gegeben als:
Figure imgf000063_0001
The oscillation amplitude Α (ω) of an element of mass m suspended by a spring of stiffness k is given in sinusoidal excitation with a force of amplitude F 0 as:
Figure imgf000063_0001
Dabei ist ω die Kreisfrequenz der Anregung und c die Dämpfungskonstante. Wird der Resonator im quasistatischen Bereich betrieben, so ist die Amplitude unabhängig von der Masse. Es gilt für ω « ω0: Here, ω is the angular frequency of the excitation and c the damping constant. If the resonator is operated in the quasi-static range, the amplitude is independent of the mass. It holds for ω «ω 0 :
Α(ω) ~ F0 / k (Gig. 4) Α (ω) ~ F 0 / k (gig 4)
Eine zusätzliche Masse Am ändert also die Eigenfrequenz co0 auf den niedrigeren Wert (> o-, die Amplitude der Schwingung bleibt allerdings unverändert. Anders stellt sich die Situation dar, wenn der Biegeaktor im Bereich seiner Eigenfrequenz betrieben wird. Für ω = co0 kann der erste Term in der Wurzel von Gig. 3 gegen den zweiten Term vernachlässigt werden und es gilt: Therefore an additional mass at the changes the natural frequency co 0 (to the lower value> o, but the amplitude of oscillation remains unchanged. In contrast, the situation is is when the bending actuator is operated in the area of its natural frequency. For ω = co 0 can the first term in the root of Gig. 3 is neglected against the second term and it holds:
Α(ω) ~ F0 / (c ( 0.) (Gig. 5) Α (ω) ~ F 0 / (c ( 0. ) (Gig. 5)
Da (o0. umgekehrt proportional zur Wurzel aus der Masse des Schwingers ist, bewirkt eine Erhöhung der Masse eine entsprechende Verringerung von ω0- und somit eine Zunahme der Amplitude. Der Mehrgewinn an Amplitude ergibt sich unter der Bedingung c (Ü0- < k. Weiter oben wurde bereits die Möglichkeit beschrieben, dass die Biegebalken so aufgebaut werden, dass sie sich je nach Adressierung bzw. Signal in die eine oder andere Richtung verbiegen können. Damit ist die Rückstellkraft nicht mehr notwendigerweise über die mechanische Federwirkung bei Verbiegung des Balkens aufzubringen. Umso geringer die Steifigkeit eines solchen Biegebalkens gewählt wird, umso größer ist bei fester einkoppelbarer Energie die Auslenkung. Since (o 0) is inversely proportional to the root of the mass of the oscillator, an increase in the mass causes a corresponding reduction of ω 0- and thus an increase in the amplitude.The gain in amplitude results under the condition c (Ü 0 - < k) The possibility has already been described above for the bending beams to be constructed in such a way that they bend in one direction or the other, depending on the addressing or signal, so that the restoring force is no longer necessarily due to the mechanical spring effect when the beam is bent All the same less the stiffness of such a bending beam is selected, the greater the deflection is at a fixed einkoppelbarer energy.
Während alle Überlegungen sich auf den Hörschallbereich bezogen haben, ist es vorstell- bar das Bauelement auch für die Generation von Ultraschall auszulegen. Prinzipiell ist es auch denkbar, dass statt Aktoren Balken mit positionssensorischen Elementen versehen werden (z. B. piezoresistiv, piezoelektrisch, kapazitiv etc.), um dann ein Bauelement als Mikrophon zur Verfügung zu stellen. Für den Kern der Herstellung der MEMS-Lautsprecher in Siliziumtechnologie kann auf bekannte Waferbondverfahren und tiefes reaktives Ionenätzen zurückgegriffen werden. Die Herstellung der Aktoren hängt vom gewählten Wirkprinzip ab und wird zunächst ausgeblendet. Dieser Teil kann modular in den folgenden beispielhaften Ablauf eingebunden werden. Die folgende Darstellung bezieht sich auf ein Bauelement mit ausschließlich seit- liehen Öffnungen für den Luftstrom. While all considerations have related to the field of sound, it is conceivable that the component should also be designed for the generation of ultrasound. In principle, it is also conceivable that, instead of actuators, beams are provided with position-sensitive elements (eg, piezoresistive, piezoelectric, capacitive, etc.), in order then to provide a component as a microphone. For the core of manufacturing of silicon MEMS speakers, known wafer bonding techniques and deep reactive ion etching can be used. The production of the actuators depends on the chosen operating principle and is initially hidden. This part can be incorporated modularly into the following exemplary process. The following diagram refers to a component with only lateral borrowings for the air flow.
Als Ausgangsmaterial werden BSOi (Bonded Silicon on Insulator, verbundenes Silizium auf einem Isolator) Scheiben eingesetzt. Die Trägerscheibe (Handle-Wafer) bildet den unteren Deckel 32a des MEMS-Lautsprecher-Bauelements. Die vergrabene Oxidschicht der BSOi-Scheibe kann später als Abstandsschicht 34a fungieren. Die aktive Schicht der BSOI-Scheibe kann der Schicht 36 entsprechen. Die Trägerscheibe kann eine Dicke von 500 bis 700 pm aufweisen und kann bei Bedarf - evtl. am Ende des Prozesses - weiter abgedünnt werden. Die vergrabene Oxidschicht kann eine Dicke von 50 nm bis 1 pm aufweisen. Die aktive Schicht der BSOI-Scheibe kann eine Dicke von 1 bis 300 pm aufwei- sen. Die Schicht 36 wird bspw. vorzugsweise mit tiefem reaktiven lonenätzen (DRIE) strukturiert. Nach dieser Strukturierung kann die vergrabene Oxidschicht (34a) mindestens lokal im Bewegungsbereich der Aktoren entfernt oder wenigstens abgedünnt werden. Dies kann nasschemisch, z. B. mit BOE (Buffered Oxide Etch - gepufferte HF-Lösung) oder trockenchemisch, z. B. mittels gasförmiger HF (Flusssäure), erfolgen. Nach zumin- dest teilweiser Entfernung der Abstandsschicht 34a im Bewegungsbereich der Aktoren kann z. B. über eine Gasphasenabscheidung (chemische Gasphasenabscheidung, Chemical vapour deposition - CVD oder Atomlagenabscheidung, atomic layer deposition - ALD) eine reibungsarme Schicht abgeschieden werden, welche den Spalt zwischen der Schicht 34a und den Aktoren (verformbaren Elementen) verschließt bzw. stark verringert. Alternativ können schon bei der Bondung der Scheiben für die Herstellung der BSOI- Scheiben durch Abscheidung und Strukturierung geeigneter Schichten Bereiche definiert werden, in denen keine Bondung erfolgt, wie es bspw. in US 7,803,281 B2 beschrieben ist. Ein solches Verfahren kann für oberen und unteren Deckel eingesetzt werden. Die Schicht 34b wird bspw. vorzugsweise mittels reaktivem lonenätzen (RIE) strukturiert. Mit diesen beiden Strukturierungen sind alle Elemente in der Schicht 36 und 34b wie in den entsprechenden Abbildungen dargestellt, hergestellt. Dies schließt auch die stabförmige Gitterstruktur ein. As starting material, BSOi (bonded silicon on insulator, bonded silicon on an insulator) disks are used. The handle wafer forms the lower lid 32a of the MEMS loudspeaker device. The buried oxide layer of the BSOi disk may later act as a spacer layer 34a. The active layer of the BSOI disc may correspond to layer 36. The carrier disk may have a thickness of 500 to 700 .mu.m and may be further thinned if necessary - possibly at the end of the process. The buried oxide layer may have a thickness of 50 nm to 1 pm. The active layer of the BSOI disc may have a thickness of 1 to 300 μm. The layer 36 is, for example, preferably structured with deep reactive ion etching (DRIE). After this structuring, the buried oxide layer (34a) can be removed or at least thinned at least locally in the movement region of the actuators. This can be wet-chemically, z. B. with BOE (Buffered Oxide Etch - buffered HF solution) or dry chemical, z. B. by means of gaseous HF (hydrofluoric acid), take place. After at least partial removal of the spacer layer 34a in the range of motion of the actuators z. Example, via a vapor deposition (chemical vapor deposition, chemical vapor deposition - CVD or atomic layer deposition, atomic layer deposition - ALD) are deposited a low-friction layer, which closes the gap between the layer 34a and the actuators (deformable elements) or greatly reduced. Alternatively, areas can already be defined during the bonding of the panes for the production of the BSOI panes by deposition and structuring of suitable layers in which no bonding takes place, as described, for example, in US Pat. No. 7,803,281 B2. Such a method can be used for upper and lower covers. The layer 34b is preferably structured, for example, by means of reactive ion etching (RIE). With these two structures, all elements in layer 36 and 34b are made as shown in the corresponding figures. This also includes the rod-shaped lattice structure.
Die vorab beschriebene Abscheidung einer reibungsarmen Schicht kann auch für den oberen Deckel (Schicht 32b) eingesetzt werden. Diese wird dann z. B. auf den Deckel vor Bonding aufgebracht. Auf die Abstandsschicht 34b kann dann verzichtet werden. Bspw. kann eine reibungsarme Schicht durch Abscheidung eines Materials erhalten werden. Ein Reibungswert kann bspw. 10 %, 20 % oder 50 % geringer sein, als bei einem Material der Schichten 32a, 34a, 34b oder 32b. Die Schicht 36 kann bei entsprechender Dotierung auch als elektrischer Leiter verwendet werden. Vor allem dann, wenn Aktoren mit unterschiedlichen Frequenzen angeregt werden sollen, ist eine vertikale elektrische Isolation in Schicht 36 vorteilhaft. Dies kann z. B. durch sogenannte gefüllte Gräben, wie in [8] beschrieben, erreicht werden. Auch die Verwendung von offenen Gräben zur elektrischen Isolation stellt eine Möglichkeit dar. The above-described deposition of a low-friction layer can also be used for the upper lid (layer 32b). This is then z. B. applied to the lid before bonding. The spacer layer 34b can then be dispensed with. For example. For example, a low-friction layer can be obtained by depositing a material. For example, a coefficient of friction may be 10%, 20%, or 50% less than a material of layers 32a, 34a, 34b, or 32b. The layer 36 can also be used as an electrical conductor with appropriate doping. Especially when actuators with different frequencies are to be excited, a vertical electrical insulation in layer 36 is advantageous. This can be z. B. by so-called filled trenches, as described in [8] can be achieved. The use of open trenches for electrical insulation is also an option.
Auf eine zweite Scheibe, die als eine Siliziumscheibe mit einer typischen oder möglichen Dicke von 500 bis 700 pm gebildet sein kann und bspw. den oberen Deckel 32b bilden wird, wird eine Schicht aufgebracht und strukturiert. Diese Schicht entspricht der Abstandsschicht 34b. Die Dicke dieser Schicht entspricht vorzugsweise der der vergrabenen Oxidschicht. Als Material für die Abstandsschicht stehen alle Materialien zur Verfügung, welche das später zu erfolgende Bonden der zweiten Scheibe auf die BSOI-Scheibe ermöglicht. Beispielhaft ist hier genannt Siliziumoxid, vorzugsweise thermisches Oxid für das Direktbonden von Siliziumoxid auf Silizium. Alternativ kann für das Direktbonden auch Polysilizium eingesetzt werden. Eine weitere Alternative besteht darin in die zweite Schei- be geeignete Vertiefungen zu ätzen, so dass aus der Scheibe die Funktion sowohl des oberen Deckels 32b als auch die Funktion der Abstandsschicht 34b abgebildet wird. Auf diese Vertiefungen kann mindestens im Bereich der Aktorbewegung verzichtet werden, wenn die Scheibe an diesen Stellen mit einer geeignet reibungsarmen Schicht beschichtet wird, so dass auf den Abstand zwischen Aktor (beweglichem Element) und Deckel (Schichten 32a und/oder 32b) verzichtet werden kann. Auf eine weitere Schicht auf der zweiten Scheibe - abgesehen von Hilfsschichten (Maskierung) für die Strukturierung - kann dann abgesehen werden. Damit ist außerdem die Direktbondung von Silizium auf Silizium möglich. A layer is applied and patterned onto a second wafer, which may be formed as a silicon wafer having a typical or possible thickness of 500 to 700 microns, and will, for example, form the top lid 32b. This layer corresponds to the spacer layer 34b. The thickness of this layer preferably corresponds to that of the buried oxide layer. As the material for the spacer layer, all materials are available which allows the later to be performed bonding of the second disc on the BSOI disc. Exemplary here is called silicon oxide, preferably thermal oxide for the direct bonding of silicon oxide on silicon. Alternatively, polysilicon can also be used for the direct bonding. A further alternative is to etch recesses which are suitable for the second disc, so that the function of both the upper cover 32b and the function of the spacer layer 34b is reproduced from the disc. These depressions can be dispensed with, at least in the area of the actuator movement, if the pane is coated with a suitably low-friction layer at these locations, so that the distance between actuator (movable element) and lid (layers 32a and / or 32b) can be dispensed with , On another layer on the second pane - apart from auxiliary layers (masking) for structuring - can be waived then. This also allows the direct bonding of silicon on silicon.
Neben dem Direktbonden ist es auch möglich Klebebondverfahren einzusetzen, so dass dann die Abstandsschicht 34b aus einem polymeren Material (z. B. BGB) besteht. Denkbar, aus Gründen der nicht vorhandenen CMOS-Kompatibilität aber nicht bevorzugt, sind außerdem Au-Si eutektische Bondverfahren oder anodische Bondverfahren (Na-Ionen haltige Schichten). Nach Bonden der beiden Scheiben ist der Kern der Herstellung im Scheibenverbund abgeschlossen. Nicht ausgeführt wurde die Herstellung der elektrischen Verdrahtung und Kontakte und eventuell erforderliche elektrische Isolationsstrukturen. Diese Elemente können durch bekannte Standardprozesse nach dem Stand der Technik zur Verfügung gestellt werden: Herstellung von Leitbahnen z. B. mittels Sputtern und Strukturierung von AlSiCu, vertikale Isolationen durch Abscheidung und Strukturierung von Oxiden, laterale Isolationen durch offene oder gefüllte Isolationsgräben, welche die Schicht 36 komplett durchdringen. In addition to direct bonding, it is also possible to use an adhesive bonding process so that the spacer layer 34b then consists of a polymeric material (eg BGB). Conceivable, for reasons of non-existent CMOS compatibility but not preferred, are also Au-Si eutectic bonding method or anodic bonding method (Na-ion containing layers). After bonding of the two discs, the core of the production in the laminated composite is completed. The production of electrical wiring and contacts and possibly required electrical insulation structures was not carried out. These elements can be provided by known standard processes according to the state of the art: production of interconnects z. Example by sputtering and structuring of AlSiCu, vertical isolation by deposition and patterning of oxides, lateral isolation by open or filled isolation trenches, which completely penetrate the layer 36.
Die Vereinzelung der Bauelemente mit seitlich angebrachten Öffnungen erfordert insbe- sondere den Schutz der Stabgitter. Dies wird z. B. ermöglicht, indem das Bauelement innerhalb eines Rahmen mit diesem z. B. über vier dünne Stege verbunden ist. Dazu sind unterer Deckel 32a und oberer Deckel 32b, sowie die Schichten 34a, 36 und 36b entsprechend zu strukturieren. Für diese Strukturierung kommen vor allem anisotrope Ätzverfahren, wie z. B. TMAH, KOH und DRIE in Frage. Speziell für die Strukturierung entlang der Stabgitter ist die DRIE-Strukturierung der Schicht 36 die bevorzugte Variante. Zum Herauslösen der Bauelemente aus dem Scheibenverbund werden die Stege zerstört. Dies kann z. B. mechanisch oder mittels Laserbearbeitung erfolgen. The separation of the components with side-mounted openings requires in particular the protection of the bar grids. This is z. B. allows by the device within a frame with this z. B. is connected via four thin webs. For this purpose, lower lid 32a and upper lid 32b, as well as the layers 34a, 36 and 36b to be structured accordingly. For this structuring are mainly anisotropic etching, such. As TMAH, KOH and DRIE in question. Especially for the structuring along the bar grids, the DRIE structuring of the layer 36 is the preferred variant. To dislodge the components of the disc composite, the webs are destroyed. This can be z. B. done mechanically or by laser processing.
Auch ist es denkbar den unteren Deckel 32a für die Vereinzelung nicht zu strukturieren, sondern nur die Schichten 34a, 36, 34b und 32b. Speziell die Schicht 36 kann mittels DRIE strukturiert werden, um den senkrechten Verlauf der Stabgitter zu realisieren. Von der Chipoberfläche aus ergibt sich dann ein Graben, welcher auf dem unteren Deckel 32b endet. Dieser Graben kann jetzt mit einem polymeren Material (z. B. Photolack) gefüllt werden. Das Polymer dient zum Schutz vor Verschmutzung beim anschließenden Säge- Vereinzelungsprozess. Nach dem Sägen werden die Bauelemente gespült und gereinigt, um den Sägeschlamm zu entfernen. Anschließend wird das Polymer durch geeignete Lösungsmittel oder in einem Sauerstoffplasma entfernt. It is also conceivable not to structure the lower lid 32a for the singulation, but only the layers 34a, 36, 34b and 32b. In particular, the layer 36 can be structured by means of DRIE in order to realize the vertical course of the bar grids. From the chip surface then results in a trench, which ends on the lower lid 32b. This trench can now be filled with a polymeric material (eg photoresist). The polymer serves to protect against contamination in the subsequent saw-singling process. After sawing, the components are rinsed and cleaned, to remove the sawdust. Subsequently, the polymer is removed by suitable solvents or in an oxygen plasma.
Werden statt der seitlichen Öffnungen Öffnungen im unteren und oberen Deckel verwen- det, so ist die Herstellung zu erweitern, wie bereits im Kontext der Abbildung 16 beschrieben. Für die Vereinzelung können untere und obere Öffnung z. B. durch eine Folie geschützt werden, sodass Sägeprozesse oder Laserschneiden möglich sind. Alternativ können die Öffnungen auch durch ein polymeres Material, z. B. Photolack, für den Vereinze- Iungsprozess verschlossen werden und im Anschluss durch ein Lösungsmittel oder im Sauerstoffplasma wieder entfernt werden. If openings in the lower and upper cover are used instead of the lateral openings, then the production is to be expanded, as already described in the context of FIG. 16. For the separation lower and upper opening z. B. be protected by a film so that sawing or laser cutting are possible. Alternatively, the openings may also be closed by a polymeric material, e.g. B. photoresist, are sealed for the separation process and then be removed by a solvent or in the oxygen plasma again.
Die Stapelung von Bauelementen erfolgt vorzugsweise im Scheibenverbund durch Bondverfahren. Die elektrische Kontaktierung kann dann entweder durch elektrische Kontakte (Bondpads) in der jeweiligen Schicht 36 erfolgen oder bei Verwendung von TSVs (Through-Silicon-Vias) auch über sogenannte Bumps auf der Chipunterseite. Zur elektrischen Verbindung der gestapelten Einzelchips können ebenfalls TSVs verwendet werden. Bei nicht gestapelten Chips können ebenfalls TSVs und Bumps eingesetzt werden. The stacking of components is preferably carried out in the disk composite by bonding method. The electrical contacting can then take place either by electrical contacts (bond pads) in the respective layer 36 or, when using TSVs (through-silicon vias), also via so-called bumps on the chip underside. TSVs can also be used to electrically connect the stacked dies. For non-stacked chips TSVs and bumps can also be used.
Um eine höhere Stabilität der Stabgitter 54 zu erreichen, können die Abstandsschichten 34a und 34b im Bereich der Stabgitter unstrukturiert bleiben. In order to achieve a higher stability of the bar grids 54, the spacer layers 34a and 34b can remain unstructured in the region of the bar grids.
Im Folgenden sind bevorzugte Ausgestaltungsvarianten für die Herstellung der lateralen Biegeaktoren beschrieben. Prinzipiell können bekannte elektrostatische, piezoelektrische, thermomechanische und elektrodynamische Wirkprinzipien für die Aktuation der Biegebalken eingesetzt werden. In the following, preferred embodiment variants for the production of the lateral bending actuators are described. In principle, known electrostatic, piezoelectric, thermomechanical and electrodynamic principles of action for the actuation of the bending beam can be used.
Ein einfaches elektrostatisches Wirkprinzip kann für einen Teil der oben gezeigten Bauelementvarianten auch ohne aktive Biegebalken realisiert werden. Der MEMS-Wandler 50 kann so ausgeführt sein, dass starre Plattenelemente 62a und 62b als Kondensatorplatten ausgeführt sind oder Kondensatorplatten aufweisen, die sich aufgrund einer elektrischen Potentialdifferenz so weit aufeinander zu bewegen, bis die durch die dann als Biegefeder agierenden Elemente 64 eine entsprechende mechanische Gegenkraft aufweisen. Alternativ können die Biegebaiken über eine zusätzlich angeordnete, feste Gegenelektrode direkt ausgelenkt werden. Auch der Einsatz von Kammelektroden zur Erhöhung der Kräfte bzw. der Auslenkung ist denkbar. Ein weiteres elektrostatisches Prinzip beruht auf dem Einsatz eines einseitig eingespannten Balkens, der an seiner Einspannung einen sehr geringen Abstand zu einer Elektrode hat und sich dieser Elektrodenabstand mit zunehmendem Abstand von der Einspannung vergrößert. Dabei kann der Abstand an der Einspannung Null betragen. Liegt zwischen dem Biegebalken und der Elektrode eine elektrische Spannung an, so schmiegt sich ein durch die Höhe der elektrischen Spannung und die Steifigkeit des Balkens bestimmter Teil des Biegebalkens an die Elektrode. Der Raum zwischen Balken und Elektrode bildet bezogen auf das hier beschriebene Prinzip die Kammer 42a welche in ihrem Volumen wie beschrieben verändert werden kann. Ein Grundprinzip derartiger Aktuatoren ist bspw. in der Literatur beschrieben. In [9] werden beispielsweise vertikal auslenkende Aktoren vorgestellt. Die Variation des Elektrodenabstands wird durch gezielte Einbringung von Schichtspannungen bei der Herstellung der Biegebalken realisiert. Für das im Rahmen dieser Anmeldung beschriebene Bauelement könnten Aktoren nach diesem Prinzip leicht durch entsprechende Strukturierung der Schicht 36 realisiert werden. Zusätzlich zu der ohnehin erforderlichen Strukturierung der Schicht 36 ist eine Isolationsschicht zwischen die Elektrode und den Biegebalken aufzubringen, was durch bekannte Verfahren der Mikrosystemtechnik einfach umzusetzen ist. Das Einbringen einer Schichtspannung ist nicht erforderlich, da die Biegebalken bereits durch die Strukturierung die gewünschte Form erhalten. In der hier beschriebenen Art sind die Aktoren lateral auslenkbar und damit für das weiter oben beschriebene Bauelementprinzip einsetzbar. A simple electrostatic action principle can be realized for a part of the component variants shown above without active bending beam. The MEMS converter 50 may be designed so that rigid plate elements 62a and 62b are designed as capacitor plates or capacitor plates that move so far toward each other due to an electrical potential difference until the then acting as a bending spring elements 64 a corresponding mechanical counterforce exhibit. Alternatively, the bending bales can be deflected directly via an additionally arranged, fixed counterelectrode. The use of comb electrodes to increase the forces or the deflection is conceivable. Another electrostatic principle is based on the use of a cantilevered beam, which has a very small distance to an electrode at its clamping and this electrode spacing increases with increasing distance from the clamping. The distance at the clamping can be zero. If there is an electrical voltage between the bending beam and the electrode, then a part of the bending beam determined by the height of the electrical voltage and the rigidity of the beam will conform to the electrode. The space between the beam and the electrode, based on the principle described here, forms the chamber 42a, which can be changed in its volume as described. A basic principle of such actuators is described, for example, in the literature. In [9], for example, vertically deflecting actuators are presented. The variation of the electrode spacing is realized by targeted introduction of layer stresses in the production of the bending beam. For the device described in the context of this application, actuators could easily be realized according to this principle by appropriate structuring of the layer 36. In addition to the structuring of the layer 36, which is required in any case, an insulating layer is to be applied between the electrode and the bending beam, which is easy to implement by known methods of microsystem technology. The introduction of a layer tension is not required because the bending beams already obtained by structuring the desired shape. In the manner described here, the actuators are laterally deflectable and thus used for the component principle described above.
Bezüglich Integration und Skalierbarkeit für hohe Stückzahlen bietet das elektrostatische Wirkprinzip eine hohe Anzahl von Vorteilen. Es werden keine externen Komponenten, wie Magnete oder Spulen benötigt und es sind keine für Reinräume und insbesondere CMOS- kompatible Reinräume kontaminationskritische Materialien erforderlich. Der bis dato verfolgte Membranansatz weist jedoch einige Nachteile auf. Dazu zählt, dass mit einer einzelnen schwingenden Membran oder Platte der gesamte Hörschallbereich nur ungenügend abgedeckt werden kann. Der Ansatz die Membran oder die Membranen quasista- tisch zu betreiben löst dieses Problem allerdings aufgrund der fehlenden Resonanzüberhöhung zu Lasten der Auslenkung und damit zu Lasten des erreichbaren Volumenstroms bzw. des erreichbaren Schallpegels. Letztere hängen für ein festes Volumen, wie z. B. für In-Ear-Kopfhörer wie folgt zusammen [1 1 ]:
Figure imgf000069_0001
In terms of integration and scalability for high volumes, the electrostatic working principle offers a large number of advantages. No external components, such as magnets or coils are required, and no contamination-critical materials are required for clean rooms and, in particular, CMOS-compatible cleanrooms. The hitherto pursued membrane approach, however, has some disadvantages. This includes that with a single oscillating membrane or plate the entire Hörschallbereich can be covered only insufficient. The approach of operating the membrane or membranes quasi-statically solves this problem, however, due to the lack of resonance increase at the expense of the deflection and thus at the expense of the achievable volume flow or the achievable sound level. The latter hang for a fixed volume, such. For example, for in-ear headphones together [1 1]:
Figure imgf000069_0001
SPL steht dabei für„Sound Pressure Level" (Schalldruck), P0 ist der Normaldruck, AM ist die erzielbare Volumenänderung durch den Lautsprecher, Pref ist der Referenzdruck, der ein Maß für die Hörschwelle angibt, er beträgt 20 Pa, V0 ist im Fall von In-Ear- Kopfhörern oder Hörgeräten das Volumen der Ohrhöhle und entspricht etwa 2 cm3. SPL stands for "Sound Pressure Level", P 0 is the normal pressure, AM is the volume change that can be achieved through the loudspeaker, P ref is the reference pressure, which indicates a measure of the threshold of hearing, it is 20 Pa, V is 0 In the case of in-ear headphones or hearing aids, the volume of the ear cavity is about 2 cm 3 .
In Bezug auf MEMS-Lautsprecher ist es also erstrebenswert einen möglichst hohen Volumenstrom pro Chipfläche bzw. pro Volumen des gesamten Lautsprechers zu erreichen. Elektrodynamische Wandler können beispielsweise sehr hohe Membranauslenkungen erzielen und damit einen hohen Volumenstrom. Das Volumen des Gesamtaufbaus ist aufgrund der erforderlichen Permanentmagnete jedoch sehr groß. Für Lautsprecher in Mobiltelefonen, die perspektivisch in einer Dimension immer weniger Platz bieten, erscheint dieser Ansatz generell beschränkend. With regard to MEMS loudspeakers, it is therefore desirable to achieve the highest possible volume flow per chip area or per volume of the entire loudspeaker. Electrodynamic transducers can, for example, achieve very high diaphragm deflections and thus a high volume flow. However, the volume of the overall structure is very large due to the required permanent magnets. For speakers in mobile phones, which offer less and less space in perspective in one dimension, this approach generally appears restrictive.
Piezoelektrische Biegeaktuatoren erfordern die Abscheidung einer piezoelektrischen Schicht auf einem Substrat. Diese piezoelektrische Schicht könnte zum Beispiel der Schicht 58 aus Fig. 3 entsprechen, welche dann seitlich zur bspw. Silizium umfassende oder daraus bestehenden Schicht 56 angeordnet ist. Die Herstellung solcher Aktoren ist mit oberflächenmikromechanischen Prozessen möglich. Laterale thermomechanische Aktoren in Form eines kalten und eines warmen Arms, wie z. B. in [10] beschrieben, können sehr einfach integriert werden, indem bei der weiter oben beschriebenen DRIE-Strukturierung der Schicht 36 die entsprechenden Geometrien berücksichtigt werden. Eine weitere Variante für thermomechanische Aktoren besteht in der Verwendung von Bimorphen, welche durch elektrischen Strom erwärmt werden. Für die Herstellung eines solchen Bimorphs könnte beispielsweise nach Strukturierung der Schicht 36 eine Oxidschicht konform abgeschieden werden, so dass auch alle Seitenwände beschichtet werden. Diese Oxidschicht könnte dann überall außer an der einen Seitenwand des Biege- elements durch Maskierungs- und Ätzverfahren entfernt werden. Der Einsatz eines elektrodynamischen Wirkprinzips ist einfach für die beidseitig eingespannten Biegebalken umsetzbar. Bei Stromfluss durch die Balken oder durch eine separat aufgebrachte Leiterstruktur erfahren die Balken in einem Magnetfeld eine Kraft, welche zur Auslenkung führt. Die Richtung des Stromflusses kann für die einzelnen Balken gemäß der gewünschten Auslenkungsrichtung gewählt werden. Die optionale Herstellung der Leiterbahnen erfolgt mit Standardprozessen der Oberflächenmikromechanik. Die zusätzliche Topographie ist in dem Fall bei der Wahl der Dicke der Abstandsschicht 34b zu berücksichtigen. Piezoelectric bending actuators require the deposition of a piezoelectric layer on a substrate. This piezoelectric layer could, for example, correspond to the layer 58 from FIG. 3, which is then arranged laterally to, for example, silicon-comprising or consisting of layer 56. The production of such actuators is possible with surface micromechanical processes. Lateral thermomechanical actuators in the form of a cold and a warm arm, such. As described in [10], can be very easily integrated by the corresponding geometries are taken into account in the above-described DRIE structuring of the layer 36. Another variant for thermo-mechanical actuators is the use of bimorphs, which are heated by electric current. For the production of such a bimorph, for example, after structuring the layer 36, an oxide layer could be conformally deposited, so that all side walls are also coated. This oxide layer could then be removed everywhere except on the one side wall of the bending element by masking and etching processes. The use of an electrodynamic principle of action is easy to implement for the cantilever beams clamped on both sides. When current flows through the bars or through a separately applied conductor structure, the bars experience a force in a magnetic field, which leads to deflection. The direction of the current flow can be selected for the individual bars according to the desired direction of deflection. The optional production of the printed conductors takes place using standard processes of surface micromechanics. The additional topography in the case is to be considered in the choice of the thickness of the spacer layer 34b.
Die bevorzugte Ausführung für den Biegeaktor ist ein lateraler elektrostatischer Aktuator, welcher auf der Nutzung sehr geringer Elektrodenabstände beruht und damit bei geringen Spannungen arbeiten und betrieben werden kann. Solche lateralen Aktoren sind bspw. in EP 2 264058 A1 beschrieben. Diese Technologie erlaubt die Herstellung aller oben be- schriebenen Biegeaktor- und Bauelementvarianten und kann in einfacher Weise modular in den oben beschriebenen Kernteil des Herstellungsprozesses der Bauelemente integriert werden. The preferred embodiment for the bending actuator is a lateral electrostatic actuator, which relies on the use of very small electrode spacings and thus can operate and operate at low voltages. Such lateral actuators are described, for example, in EP 2 264058 A1. This technology allows the production of all the above-described bending actuator and component variants and can be integrated in a simple manner modular in the above-described core part of the manufacturing process of the components.
Im Folgenden wird Bezug genommen auf die Umströmungsverluste bei der Bewegung der Seitenwände, d h., der verformbaren Elemente. Unter der Annahme laminarer Strömung kann in einem einfachen Modell gezeigt werden, dass die Umströmungsverluste, etwa Volumenströme von Kammer 42a zu Kammer 38a in Fig. 2a im Vergleich zu den Nutz- Volumenströmen, also der Volumenstrom, der nach außen dringt bzw. von außen nach innen dringt, geeignet gering gehalten werden können, wenn die Abstandsschichten 34a und 34b im Vergleich zur Dicke der Schicht 36 klein sind. Dasselbe gilt für den Abstand am gegebenenfalls freien Ende eines Biegebalkens zur lateral begrenzenden Struktur. Letzteres kann bei beidseitig eingespannten Biegeaktoren entfallen. Werden für diese Konfiguration im Modell einer laminaren Strömung durch rechteckige Rohre die Strömungsverluste berechnet, so kann sich bezogen auf den Nutz-Volumenstrom ein Verlust durch Umströmungen von etwa 3 % ergeben, wenn für die Dimensionen Folgendes angenommen wird: In the following, reference is made to the flow-around losses during the movement of the side walls, that is to say the deformable elements. Assuming laminar flow, it can be shown in a simple model that the flow-through losses, such as volume flows from chamber 42a to chamber 38a in FIG. 2a in comparison to the useful volume flows, ie the volume flow, which flows outwards or from the outside penetrates inside, can be suitably kept low, when the spacer layers 34a and 34b compared to the thickness of the layer 36 are small. The same applies to the distance at the optionally free end of a bending beam to the laterally delimiting structure. The latter can be omitted in both sides clamped bending actuators. If the flow losses are calculated for this configuration in the model of a laminar flow through rectangular tubes, then a loss due to the useful volume flow may result by circulations of about 3%, if the following is assumed for the dimensions:
Biegeaktor: Länge 1 mm, Höhe: 30 pm, Breite 10 pm Kammer: Für die Berechnung des Strömungswiderstands nach außen wurde eine mittlere Breite von 50 pm angenommen. Dies unterschätzt den Strömungswiderstand bei großer Auslenkung der Biegeaktoren. Schichtdicken der Abstandshalter 34a und 34b: je 0.5 pm Bending reactor: length 1 mm, height: 30 μm, width 10 μm Chamber: For the calculation of the flow resistance to the outside, a mean width of 50 pm was assumed. This underestimates the flow resistance with large deflection of the bending actuators. Layer thicknesses of the spacers 34a and 34b: 0.5 pm each
Die angenommenen Dimensionen sind lediglich beispielhaft zu verstehen und sehr gut mit mikromechanischen Technologien realisierbar. Die Annahme laminarer Strömung könnte aufgrund der geringen Breite der Aktoren (oben: 10 pm), welche der Rohrlänge entspricht, inkorrekt sein. Diese Annahme ist jedoch eine Worst-Case-Annahme, da beim Auftreten von Turbulenzen der Strömungswiderstand zunimmt. Um solche Turbulenzen zu motivieren können die Biegeaktoren in der Schicht 36 mit geeigneten lateral ausgebildeten Elementen versehen werden. Als geeignet sind Anordnungen anzusehen, welche bei Um- strömung Wirbel bilden. Alternativ oder ergänzend kann eine bewusste Aufrauhung der zur Kammer zeigenden Fläche des Deckels 32a und 32b die Ausbildung einer turbulenten Strömung befördern. The assumed dimensions are only to be understood as examples and can be implemented very well with micromechanical technologies. The assumption of laminar flow could be incorrect due to the small width of the actuators (top: 10 pm), which corresponds to the tube length. However, this assumption is a worst-case assumption, since the turbidity increases the flow resistance. To motivate such turbulence, the bending actuators in the layer 36 may be provided with suitable laterally formed elements. Arrangements which form vortices when flowing around are to be regarded as suitable. Alternatively or additionally, a deliberate roughening of the chamber-facing surface of the lid 32a and 32b can promote the formation of a turbulent flow.
Fig. 15 zeigt eine schematische Seitenschnittansicht eines verformbaren Elements 150, das eine erste Schicht 1 12 und eine zweite Schicht 1 14 aufweist, die über Verbindungs- elemente 1 16 miteinander beabstandet und verbunden sind, wobei die Verbindungselemente 1 16a-c mit einem Winkel von 1 90 zu der Schicht 1 14 und der Schicht 1 12 angeordnet sind. Beispielsweise können die Schichten 1 12 und 1 14 eine Elektrode aufweisen. Alternativ kann jeweils eine Elektrode an den Schichten 1 12 und/oder 1 14 angeordnet sein. Basierend auf einem Anlegen eines elektrischen Potentials kann eine abstoßende oder anziehende Kraft zwischen den Schichten 1 12 und 1 14 erzeugt werden. Die anziehende oder abstoßende Kraft kann zu einer Verformung der Elemente 16a-c führen, so dass ein von einem eingespannten Ende 1 18 abgewandtes auslenkbares Ende 122 des verformbaren Elements 144 entlang der lateralen Bewegungsrichtung 24 auslenkbar ist. Das bedeutet, dass das verformbare Element 150 eine erste Schicht 1 14 und eine zweite Schicht 1 16 aufweisen kann, wobei zwischen der ersten Schicht 1 14 und der zweiten Schicht 1 16 Abstandshalter 1 16a-c angeordnet sein können. Die Abstandshalter 1 16a-c können in eine Neigungsrichtung 124 schräg zu einem Verlauf der Schichten 1 12 und 1 14 angeordnet sein. Eine Anziehungskraft zwischen den Schichten 1 12 und 1 4 kann eine Biegung des verformbaren Elements 150 bewirken. Das verformbare Element 150 kann entlang der Neigungsrichtung eben oder einfach gekrümmt ausgebildet sein. Alternativ kann das verformbare Element bzw. die Schichten 1 12 und/oder 1 14 auch zumindest zwei diskontinuierlich aneinander angeordnete Abschnitte aufweisen, etwa einem Sägezahnmuster folgend. 15 shows a schematic side sectional view of a deformable element 150, which has a first layer 1 12 and a second layer 1 14, which are spaced apart and connected to each other via connecting elements 1 16, wherein the connecting elements 1 16a-c at an angle of 1 90 to the layer 1 14 and the layer 1 12 are arranged. For example, the layers 1 12 and 1 14 may have an electrode. Alternatively, in each case one electrode can be arranged on the layers 1 12 and / or 14. Based on application of an electric potential, a repulsive or attractive force can be generated between the layers 1 12 and 1 14. The attractive or repulsive force can lead to a deformation of the elements 16a-c, so that a deflectable from a clamped end 1 18 deflectable end 122 of the deformable element 144 along the lateral direction of movement 24 is deflectable. This means that the deformable element 150 can have a first layer 14 and a second layer 16, wherein 16 spacers 16a-c can be arranged between the first layer 14 and the second layer 16. The spacers 16a-c can be arranged in an inclination direction 124 obliquely to a course of the layers 1 12 and 1 14. An attractive force between the layers 1 12 and 1 4 may cause a deflection of the deformable element 150. The deformable element 150 may be planar or simply curved along the direction of inclination. Alternatively, the deformable element or the layers 1 12 and / or 1 14 also have at least two discontinuously juxtaposed sections, approximately following a sawtooth pattern.
Fig. 16 zeigt eine schematische Aufsicht auf ein verformbares Element 160, das benachbart zu einer Elektrode 126 angeordnet ist. Das verformbare Element 160 kann eine weitere Elektrode 127 aufweisen oder die weitere Elektrode 127 sein. Basierend auf einem angelegten elektrischen Potential zwischen der Elektrode 126 und der weiteren Elektrode 127 des verformbaren Elements 160 kann eine elektrostatische oder elektrodynamische Kraft F erzeugt werden. Basierend auf der elektrostatischen oder elektrodynamischen Kraft F kann eine Verformung des verformbaren Elements 160 bewirkt werden. 16 shows a schematic plan view of a deformable element 160 which is arranged adjacent to an electrode 126. The deformable element 160 can have a further electrode 127 or the further electrode 127. Based on an applied electric potential between the electrode 126 and the further electrode 127 of the deformable element 160, an electrostatic or electrodynamic force F can be generated. Based on the electrostatic or electrodynamic force F, deformation of the deformable member 160 may be effected.
In einem von dem Volumenstrom oder dem elektrischen Potential, d. h. der Kraft F, unbe- einflussten Zustand des verformbaren Elements 160 kann ein Abstand zwischen dem verformbaren Element 160 und der Elektrode 126 entlang der axialen Ausdehnungsrichtung 98 des verformbaren Elements veränderlich sein. In einem Bereich, an dem der mechanische Wandler bzw. das verformbare Element 160 eine Verbindung mit dem Substrat 14 aufweist, kann der Abstand minimal sein. Dies ermöglicht eine hohe Steuerbarkeit der Verformung des verformbaren Elements 160. Alternativ kann der Abstand zwischen der Elektrode 126 und dem verformbaren Element 160 entlang der Ausdehnungsrichtung 98 beliebig variabel oder konstant sein. In one of the volumetric flow or electric potential, i. H. For example, with the force F, unaffected condition of the deformable member 160, a distance between the deformable member 160 and the electrode 126 may vary along the axial extension direction 98 of the deformable member. In a region where the mechanical transducer or deformable element 160 has a connection to the substrate 14, the distance may be minimal. This allows a high controllability of the deformation of the deformable element 160. Alternatively, the distance between the electrode 126 and the deformable element 160 along the extension direction 98 may be arbitrarily variable or constant.
Elektromechanische Wandler können gemäß Ausführungsbeispielen als elektrostatische Wandler, als piezoelektrische Wandler, als elektromagnetische Wandler, als elektrodynamische Wandler, als thermomechanische Wandler oder als magnetostriktive Wandler gebildet sein. Electromechanical transducers can be formed according to embodiments as electrostatic transducers, as piezoelectric transducers, as electromagnetic transducers, as electrodynamic transducers, as thermomechanical transducers or as magnetostrictive transducers.
Basierend auf einer erzeugbaren Kraft kann eine Verformung des verformbaren Elements bewirkt werden oder eine Verformung des verformbaren Elements feststellbar bzw. bestimmbar sein. Based on a producible force, deformation of the deformable element may be effected or deformation of the deformable element may be detectable.
Anhand der folgenden Figuren werden einige vorteilhafte Ausführungen der elektronischen Schaltung erläutert. Fig. 17a zeigt eine schematische perspektivische Ansicht eines MEMS-Wandlers 170 gemäß einem Ausführungsbeispiei. Der Einfachheit halber umfasst die Schicht 36 auch die beispielsweise im Zusammenhang mit der Fig. 2a beschriebenen Schichten 34a und 34b. Die Kavität des MEMS-Wandlers 170 ist über Öffnungen 26 mit einer äußeren Um- gebung des MEMS-Wandlers 170 verbunden. Die elektronische Schaltung 17 kann mehrteilig ausgeführt sein, so dass ein erster Teil 17a der elektronischen Schaltung 17 auf oder in der Schicht 32b angeordnet ist. Ein weiterer Teil 17b der elektronischen Schaltung 17 kann in einer anderen Schicht, etwa der Schicht 32a und/oder 36 angeordnet sein. Der MEMS-Wandler 170 kann an oder in der Schicht 32b Durchkontaktierungen 19 aufweisen, die beispielsweise als Kontaktpins für die Eingabe und/oder Ausgabe elektrischer Signale an oder von der elektronischen Schaltung 17 dienen. With reference to the following figures, some advantageous embodiments of the electronic circuit will be explained. FIG. 17 a shows a schematic perspective view of a MEMS converter 170 according to an exemplary embodiment. For the sake of simplicity, the layer 36 also includes the layers 34a and 34b described, for example, in connection with FIG. 2a. The cavity of the MEMS converter 170 is connected via openings 26 to an external environment of the MEMS converter 170. The electronic circuit 17 may be designed in several parts, so that a first part 17a of the electronic circuit 17 is arranged on or in the layer 32b. A further part 17b of the electronic circuit 17 can be arranged in another layer, for example the layer 32a and / or 36. The MEMS converter 170 may have on or in the layer 32b vias 19, which serve as contact pins for the input and / or output of electrical signals to or from the electronic circuit 17, for example.
Fig. 17b zeigt eine weitere schematische Ansicht des MEMS-Wandlers 170, bei dem die Seite 32a im Vordergrund ist. Ein zweiter Teil 17b der elektronischen Schaltung 17 kann auf oder in der Schicht 32a angeordnet sein. Die Schicht 32a kann ebenfalls Durchkontaktierungen 19 aufweisen. Einige der Durchkontaktierungen können eine gleiche Funktionalität aufweisen. Die Durchkontaktierungen können bspw. für die Durchkontaktierung durch den gesamten Schichtstapel genutzt werden, eine, manche oder alle aber auch nur für Teile des Stapels, etwa bis zu den verformbaren Elementen. In einem Beispiel können also manche der Durchkontaktierungen 19 die Kontaktierungen zu den verformbaren Elementen des Wandlers darstellen und andere der Durchkontaktierungen 19 solche, die die elektronische Schaltung des Deckelwafers mit der elektronischen Schaltung auf dem Bodenwafer verbinden. Fig. 17b shows another schematic view of the MEMS converter 170 with the side 32a in the foreground. A second part 17b of the electronic circuit 17 may be arranged on or in the layer 32a. The layer 32a may also have vias 19. Some of the vias may have the same functionality. The plated-through holes can be used, for example, for the through-hole through the entire layer stack, one, some or all but only for parts of the stack, for example up to the deformable elements. Thus, in one example, some of the vias 19 may be the contacts to the deformable elements of the transducer, and others of the vias 19 may be those connecting the electronic circuitry of the lid wafer to the electronic circuitry on the bottom wafer.
Fig. 17c zeigt eine schematische perspektivische Ansicht des MEMS-Wandlers 170 analog der Ansicht in Fig. 17a, wobei die Öffnungen so ausgestaltet sind, dass Gitterstege 44 angeordnet sind, um einen Eintritt von Partikeln zumindest zu erschweren. Die Anordnung der elektronischen Schaltung 17 in Schichten des MEMS-Wandlers, etwa des MEMS-Wandlers 170, ermöglicht zum einen den Erhalt einer hochintegrierten Struktur, die eine Verringerung oder Vermeidung von externen Schaltungsstrukturen ermöglicht, so dass die Gesamtvorrichtung klein ausgeführt werden kann. Ferner ermöglicht die Anordnung der elektronischen Schaltung in einer Schicht des Schichtstapels den Erhalt kurzer Signalwege, was sowohl für den Bereich der elektromagnetischen Verträglichkeit als auch für Zeitaspekte und Leistungsaspekte der Vorrichtung vorteilhaft ist. Obwohl eine Anordnung der elektronischen Schaltung in lediglich einer der Schichten 32a oder 32b möglich ist, kann eine Aufteilung der elektronischen Schaltung und eine Anordnung derselben in oder an beiden Schichten 32a und 32b Vorteile dahin gehend bieten, dass benachbarte elektronische Komponenten über jeweils möglichst kurze Wege durch die elektronische Schaltung 17 angesteuert werden. Eine Aufteilung der elektronischen Schaltung 17 ermöglicht ferner, dass die elektronischen Schaltungen 17a und 17b unterschiedliche oder komplementäre Funktionen implementieren und/oder in komplementären Technologien realisiert sein, etwa MEMS und CMOS. Zwar können die elektronischen Schaltungen 17a und 17b miteinander und/oder mit dem elektromechanischen Wandler in elektrischer Verbindung stehen. Die Struktur des MEMS-Wandlers 170 als Schichtaufbau ermöglicht es, die einzelnen Schichten getrennt voneinander zu fertigen, etwa in voneinander verschiedenen Halbleiterfertigungsprozessen. Dies ermöglicht die Implementierung unterschiedlicher von dem Halbleiterfertigungsprozess zumindest beeinflussten Funktionen in unterschiedlichen Schichten und mithin in unterschiedlichen elektronischen Schaltungen, so dass in einem Chip des MEMS-Wandlers 170 basierend auf unterschiedlichen Halbleiterfertigungsprozessen erhaltene Schaltungsstrukturen 17a und 17b angeordnet sein können. Dies kann auch so verstanden werden, dass eine erste elektronische Schaltung 17a in einer ersten Deckelschicht des Schichtstapels angeordnet ist und dass eine zweite elektronische Schaltung 17b in einer zweiten Deckelschicht des Schichtstapels des Substrats angeordnet ist. Jede der beiden elektronischen Schaltungen 17a und 17b ist entlang einer Richtung senkrecht zu der in-plane-Bewegungsebene angeordnet. Das verformbare Ele- ment kann während einer Verformung desselben zumindest zeitweise zwischen der ersten und der zweiten elektronischen Schaltung 17a und 17b angeordnet sein. Durch Durchkontaktierungen und/oder andere Schaltungselemente kann die elektronische Schaltung 17 bzw. die Schicht, in der diese angeordnet ist, mit einer Außenseite des MEMS-Wandlers zumindest elektrisch verbunden sein oder die Außenseite des MEMS- Wandlers darstellen. Dies ermöglicht eine Kontaktierbarkeit des MEMS-Wandlers mit einer Leitungsanordnung, etwa auf einer Platine. FIG. 17c shows a schematic perspective view of the MEMS converter 170 analogous to the view in FIG. 17a, the openings being configured such that grid webs 44 are arranged in order to at least make it more difficult for particles to enter. The arrangement of the electronic circuit 17 in layers of the MEMS converter, such as the MEMS converter 170, on the one hand allows to obtain a highly integrated structure, which allows a reduction or avoidance of external circuit structures, so that the overall device can be made small. Furthermore, the arrangement of the electronic circuit in a layer of the layer stack makes it possible to obtain short signal paths, which is advantageous both for the range of electromagnetic compatibility and for time aspects and performance aspects of the device. Although an arrangement of the electronic circuit is possible in only one of the layers 32a or 32b, a division of the electronic circuit and an arrangement of the same in or on both layers 32a and 32b can provide advantages in that adjacent electronic components through as short paths as possible the electronic circuit 17 are driven. A division of the electronic circuit 17 further allows the electronic circuits 17a and 17b to implement different or complementary functions and / or be implemented in complementary technologies, such as MEMS and CMOS. Although the electronic circuits 17a and 17b may be in electrical connection with each other and / or with the electromechanical transducer. The structure of the MEMS transducer 170 as a layered structure makes it possible to fabricate the individual layers separately from one another, for example in mutually different semiconductor fabrication processes. This enables implementation of different functions at least influenced by the semiconductor manufacturing process in different layers and thus in different electronic circuits, so that circuit patterns 17a and 17b obtained in a chip of the MEMS converter 170 based on different semiconductor manufacturing processes can be arranged. This can also be understood as meaning that a first electronic circuit 17a is arranged in a first cover layer of the layer stack and that a second electronic circuit 17b is arranged in a second cover layer of the layer stack of the substrate. Each of the two electronic circuits 17a and 17b is arranged along a direction perpendicular to the in-plane moving plane. The deformable element may be arranged at least temporarily between the first and the second electronic circuit 17a and 17b during a deformation thereof. Through plated-through holes and / or other circuit elements, the electronic circuit 17 or the layer in which it is arranged, at least electrically connected to an outer side of the MEMS converter or represent the outside of the MEMS converter. This allows a contactability of the MEMS converter with a line arrangement, such as on a circuit board.
In anderen Worten ermöglichen Ausführungsbeispiele den Erhalt eines Gesamtbauelements umfassend unterschiedliche Funktionalitäten, die in dem MEMS-Wandler integriert sind. Dazu zählen z. B. die integrierte elektronische Ansteuerung eines MEMS- Lausprechers und die Ansteuerung/Auslese eines integrierten Beschleunigungssensors. Eine Herstellung einzelner Funktionselemente kann in unterschiedlichen Fertigungsprozessen verwendet oder implementiert werden, die gegebenenfalls während der Fertigung eines Wafers nicht oder schwer kombinierbar sind. Durch Aufteilung dieser Funktionalitäten auf zwei Schichten, etwa der obere und der untere Wafer 32a und 32b, können die Fertigungsverfahren mit größerer Flexibilität ausgewählt und auf Ebene der Funktionalität kombiniert werden, d. h. in dem MEMS-Wandler 170 zusammengefügt werden. Zum Beispiel kann der obere Wafer (Deckel) elektronische Schaltungselemente für den Niedervoltbereich enthalten, d. h. kleine elektronische Strukturen, die einen geringen Platzbedarf aufweisen und eine hohe Geschwindigkeit ermöglichen. Der untere Wafer (Boden) kann beispielsweise eine D/A-Wandlung für hohe Spannungen zum Betrieb eines Lautsprechers umfassen, d. h. große Transistorstrukturen mit hohem Platzbedarf, die langsam sind. Ebenso kann für Speicherelemente, Lichtquellen oder zusätzlich integrierte MEMS- Sensoren/Aktoren ein entsprechender Vorteil erhalten werden. Die Integration komplementärer Funktionalität kann beliebig unterteilt werden. In other words, embodiments enable obtaining an overall device comprising different functionalities integrated in the MEMS converter. These include z. As the integrated electronic control of a MEMS loudspeaker and the control / readout of an integrated acceleration sensor. A production of individual functional elements can be used or implemented in different manufacturing processes, which may not be combinable or difficult to combine during the production of a wafer. By dividing these functionalities into two layers, such as the upper and lower wafers 32a and 32b, the manufacturing processes can be selected with greater flexibility and combined at the level of functionality, ie, assembled in the MEMS converter 170. For example, the upper wafer (lid) may include electronic circuit elements for the low voltage range, ie, small electronic structures requiring little space and allowing high speed. For example, the lower wafer (bottom) may include high-voltage D / A conversion for operating a loudspeaker, ie, large, high-capacity transistor structures that are slow. Likewise, a corresponding advantage can be obtained for memory elements, light sources or additionally integrated MEMS sensors / actuators. The integration of complementary functionality can be divided arbitrarily.
In nochmals anderen Worten kann in den Schichten 32a und/oder 32b eine integrierte elektronische Schaltung 17 bzw. 17a und/oder 17b realisiert sein. Diese kann beispielsweise dazu dienen, die Aktoren für die Schallerzeugung anzusteuern und die jeweilige elektrische Spannung gemäß dem gewünschten Schalldruck einzustellen, sowie die elekt- rische Anregung bei der gewünschten Frequenz zu realisieren. Auch eine gegebenenfalls erforderliche Wandlung eines digitalen elektrischen Eingangssignals in ein analoges An- steuersignal ist mit der integrierten Schaltung, etwa in Form eines D/A-Wandlers oder per Pulsweitenmodulation (PWM) möglich. Im Falle der Mikrofonfunktion kann in dieser Schaltung beispielsweise die elektrische Signai(vor)verarbeitung - unter Beibehaltung kurzer Signalwege - oder auch eine A/D-Wandlung realisiert werden. Für die elektrische Kontak- tierung der integrierten elektronischen Schaltung 17 mit den Aktoren/Sensoren im Chipinneren sind Durchkontaktierungen 19 vorstellbar, die in der Schicht 32a und/oder 32b angeordnet sein können. Diese können die Schicht 34a bzw. 34b durchdringen, so dass individuelle durchgängige elektrische Verbindungen von der integrierten Schaltung bis zu den einzelnen Aktoren (Balken) implementiert sein können. Für jeden Balken können beispielsweise zwei elektrische Kontakte vorgesehen sein. Auf einer Seite des Stapels können die Durchkontaktierungen 19 über integrierte Leiterbahnen mit der elektronischen Schaltung 17 verbunden sein, was in den Figuren nicht dargestellt ist. Herstellungsbezogen wird beispielsweise eine Silizium-CMOS-Scheibe (CMOS = komplementärer Metalloxidhalbleiter) auf die Schicht 34b gebondet. Diese Scheibe bildet chipbezogen die Schicht 32b und schließt die Kammern (Kavität) nach oben hin ab. Die Durchkontaktierungen in der Silizium-CMOS-Scheibe können bereits vor dem Bonden hergestellt sein (Fall a). In diesem Fall kann es erforderlich sein, dass auch die Durchkontaktierungen der Schicht 34b bereits vor dem Bonden vorhanden sind. Alternativ ist es auch möglich (Fall b), dass beide Durchkontaktierungen erst nach dem Bonden hergestellt werden. Vereinfacht dargestellt kann dazu nach dem Bonden an den entsprechenden Stellen unter Zuhilfenahme einer Maskierung eine Ätzung bis zu den elektrisch zu kontaktierenden Stellen der Balken durchgeführt werden und das so entstandene Sackloch mit einem elektrisch leitenden Material, etwa ein Metall oder dotiertes Halbleitermate- rial, wieder aufgefüllt werden. Gegebenenfalls können die Seitenwände des Sacklochs vor Füllung mit dem elektrisch leitfähigen Material mit einer isolierenden Schicht belegt werden, etwa Siliziumoxid und/oder Siliziumnitrid. In still other words, an integrated electronic circuit 17 or 17a and / or 17b can be realized in the layers 32a and / or 32b. This can be used, for example, to control the actuators for the generation of sound and to set the respective electrical voltage according to the desired sound pressure, as well as to realize the electrical excitation at the desired frequency. Also an optionally required conversion of a digital electrical input signal into an analog control signal is possible with the integrated circuit, for example in the form of a D / A converter or by pulse width modulation (PWM). In the case of the microphone function can be realized in this circuit, for example, the electrical Signai (pre) processing - while maintaining short signal paths - or an A / D conversion. For the electrical contacting of the integrated electronic circuit 17 with the actuators / sensors inside the chip, vias 19 are conceivable, which can be arranged in the layer 32a and / or 32b. These can penetrate the layer 34a or 34b, so that individual continuous electrical connections from the integrated circuit to the individual actuators (bars) can be implemented. For example, two electrical contacts may be provided for each bar. On one side of the stack, the plated-through holes 19 may be connected via integrated strip conductors to the electronic circuit 17, which is not shown in the figures. For example, in manufacturing, a silicon CMOS (CMOS = complementary metal oxide semiconductor) wafer is bonded to layer 34b. This disc forms chip-related, the layer 32b and closes the chambers (cavity) from above. The vias in the silicon CMOS wafer can already be made before bonding (case a). In this case, it may be necessary for the through-contacts of the layer 34b to be present even before the bonding. Alternatively, it is also possible (case b) that both vias are made only after bonding. Simplified shown this can be done after bonding at the appropriate locations with the aid of a masking etching to the electrically contacted points of the bars and the resulting blind hole with an electrically conductive material, such as a metal or doped Halbleitermate- material, filled again become. Optionally, the side walls of the blind hole can be covered with an electrically insulating layer before filling with the electrically conductive material, for example silicon oxide and / or silicon nitride.
Obwohl die Figuren 17a bis 17c so dargestellt sind, dass die elektronische Schaltung in zwei Schichten angeordnet ist, die die Kavität 14 umschließen, kann die elektronische Schaltung auch lediglich an einer Schicht angeordnet sein, etwa an einer Schicht, die dazu konfiguriert ist, mit einer Platine oder dergleichen in Verbindung gebracht zu werden, das bedeutet, eine Bodenschicht. Alternativ oder zusätzlich können zusätzliche funktionale Elemente in zumindest einer dieser Schichten realisiert sein, wobei diese Schicht dann Durchkontaktierungen aufweisen kann. Alternativ oder zusätzlich zu den Anordnungen von Durchkontaktierungen mittels selektivem Ätzen kann auch eine Durchkontaktierung durch den gesamten Schichtstapel vorgesehen sein, etwa mittels sogenannter „TSV (Through-Silicon Via; Silizium-Durchkontaktierung), so dass funktionale Strukturen auf der Bodenschicht und der Deckelschicht elektrisch verbunden sein können. Es kann ein Her- stellen der Abstandsschicht 34b auf der Rückseite des Deckelwafers, d. h. der Schicht 32b erfolgen, und diese gemeinsamen Schichten dann mit dem Wafer gebondet werden. Alternativ oder zusätzlich kann eine Abstandsschicht 34a auf der Schicht 32a hergestellt werden und dieser Schichtverbund durch anschließendes Bonden mit anderen Schichten zusammengefügt werden. Die jeweiligen aneinander hergestellten Schichten können vor dem Bonden mit anderen Bestandteilen kontaktiert werden. Prinzipiell können aber Durchkontaktierungen in den Schichten 32a und 32b bzw. daran angeordnete Schichten 34a und 34b an einer beliebigen Stelle des Prozessablaufs vorgesehen sein. Although FIGS. 17a to 17c are illustrated with the electronic circuit arranged in two layers surrounding the cavity 14, the electronic circuit may also be disposed only on one layer, such as a layer configured to have one Board or the like to be associated, that is, a soil layer. Alternatively or additionally, additional functional elements can be realized in at least one of these layers, wherein this layer can then have plated-through holes. As an alternative or in addition to the arrangements of plated-through holes by means of selective etching, it is also possible to provide through-plating through the entire layer stack, for example by means of so-called "TSV" (through-silicon via), so that functional structures on the bottom layer and the cover layer are electrically connected could be. It may be a manufacture of the spacer layer 34b on the back of the lid wafer, i. H. layer 32b, and these common layers are then bonded to the wafer. Alternatively or additionally, a spacer layer 34a can be produced on the layer 32a, and this laminate can be joined together with other layers by subsequent bonding. The respective layers produced together may be contacted with other components prior to bonding. In principle, however, plated-through holes in the layers 32a and 32b or layers 34a and 34b arranged thereon can be provided at any point in the process sequence.
Alternativ oder zusätzlich kann es ebenfalls vorgesehen sein, dass ein MEMS-Wandler, wie vorhin beschrieben, so in der Kavität angeordnet wird, dass die Kavität aus einem vergleichsweise dicken Wafer herausgeformt wird, so dass auf zumindest einige der Schritte zur Durchführung eines Waferbondens verzichtet werden kann. Alternatively or additionally, it may also be provided that a MEMS converter, as described above, is arranged in the cavity, that the cavity of a relatively thick wafer is formed, so that can be dispensed with at least some of the steps for performing a wafer bake.
Fig. 18a zeigt eine schematische perspektivische Ansicht eines MEMS-Wandlers 180, bei dem die Schicht 32b dem Betrachter zugewandt ist, wie es beispielsweise in der Fig. 17a der Fall ist. Fig. 18a shows a schematic perspective view of a MEMS converter 180, in which the layer 32b faces the viewer, as is the case for example in Fig. 17a.
Benachbart zu der elektronischen Schaltung 17a kann die Schicht 32b ein Funktionselement oder MEMS-Struktur 21 aufweisen, die eine oder mehrere MEMS-Funktionen auf- weisen kann. Beispielsweise kann die MEMS-Struktur 21 einen Inertialsensor, ein Magnetometer, einen Temperatur- und/oder Feuchtigkeitssensor, einen Gassensor oder eine Kombination daraus umfassen. Alternativ oder zusätzlich kann es sich um einen beliebigen Sensor, einen beliebigen Aktor, eine Drahtlos-Kommunikationsschnittstelle, eine Lichtquelle, einen Speicherbaustein, einen Prozessor und/oder einen Navigationsempfän- ger handeln. Die elektronische Schaltung 17a kann ausgebildet sein, um die MEMS- Struktur 21 anzusteuern und/oder auszuwerten. Adjacent to the electronic circuit 17a, the layer 32b may comprise a functional element or MEMS structure 21, which may have one or more MEMS functions. For example, the MEMS structure 21 may include an inertial sensor, a magnetometer, a temperature and / or humidity sensor, a gas sensor, or a combination thereof. Alternatively or additionally, it can be any desired sensor, an arbitrary actuator, a wireless communication interface, a light source, a memory module, a processor and / or a navigation receiver. The electronic circuit 17a can be designed to control and / or evaluate the MEMS structure 21.
Das bedeutet, dass die Schicht 32a, in der sich die elektronische Schaltung 17a befindet, ein Funktionselement, d. h. die MEMS-Struktur 21 , umfassen kann. Das Funktionsele- ment kann mit der elektronischen Schaltung verbunden sein, wobei die elektronische Schaltung 17a ausgebildet sein kann, um das Funktionselement anzusteuern oder auszuwerten. This means that the layer 32a in which the electronic circuit 17a is located is a functional element, i. H. the MEMS structure 21, may include. The functional element may be connected to the electronic circuit, wherein the electronic circuit 17a may be designed to control or evaluate the functional element.
Eine Drehung des MEMS-Wandlers 180 um eine Achse 23 kann zu einer Ansicht gemäß Fig. 17b führen, wobei die an der Seite 32a angeordnete Schaltung 17b beispielsweise ausgebildet sein kann, um die elektromechanischen Wandler des MEMS-Wandlers 180 im Inneren der Kavität auszuwerten und/oder anzusteuern. Auch hier können die elektronischen Schaltungen 17a und 1 7b komplementäre Funktionen aufweisen. In anderen Worten kann der Bodenwafer eine integrierte elektronische Schaltung 17b aufweisen, die vorzugsweise komplementäre Aufgaben zu Schaltung 17a übernimmt. Das bedeutet, der MEMS-Wandler 180 kann konfiguriert sein, um so an einer Schaltungsstruktur oder Platine angeordnet zu werden, dass die MEMS-Struktur 21 dieser Struktur abgewandt angeordnet ist. Fig. 18b zeigt eine schematische perspektivische Ansicht eines MEMS-Wandlers 180', der gegenüber dem MEMS-Wandler 180 dahin gehend modifiziert ist, dass eine Öffnung 26a in der Schicht 32b angeordnet ist und sich beispielsweise innerhalb des MEMS- Blocks 21 befindet. Rotation of the MEMS transducer 180 about an axis 23 may result in a view as shown in FIG. 17b, where the circuit 17b disposed on the side 32a may, for example, be configured to evaluate the electromechanical transducers of the MEMS transducer 180 inside the cavity / or to control. Again, the electronic circuits 17a and 17b may have complementary functions. In other words, the bottom wafer may have an integrated electronic circuit 17b, which preferably performs complementary tasks to circuit 17a. That is, the MEMS converter 180 may be configured to be disposed on a circuit pattern or board such that the MEMS structure 21 is disposed away from that structure. FIG. 18b shows a schematic perspective view of a MEMS transducer 180 'that is modified from the MEMS transducer 180 such that an opening 26a is disposed in the layer 32b and is located, for example, within the MEMS block 21.
Dies kann beispielsweise derart erfolgen, dass die elektronische Schaltung 17a sowohl ausgebildet ist, um die elektromechanischen Wandler im Inneren der Kavität anzusteuern und/oder auszulesen und ausgebildet ist, um die MEMS-Struktur 21 anzusteuern und/oder auszuwerten. This can be done, for example, such that the electronic circuit 17a is both designed to drive the electromechanical transducers in the interior of the cavity and / or read out and designed to actuate and / or evaluate the MEMS structure 21.
Der MEMS-Wandler 180' kann eine weitere Öffnung 26b in dem Substrat aufweisen. Die Öffnung 26b kann beispielsweise so angeordnet sein, dass der Fluidstrom 12 eine große Distanz durch den MEMS-Wandler 180 zurücklegt. Beispielsweise kann die Öffnung 26b an einer oder in einer der MEMS-Struktur 21 maximal entfernten Seitenwand des MEMS- Wandlers 180' angeordnet sein. Die MEMS-Struktur (Funktionselement) 21 kann beispielsweise als gassensorisches Funktionselement ausgebildet sein, das in der Deckelschicht 32b angeordnet ist. Das gassensorische Funktionselement 21 kann ausgebildet sein, um mit dem Fluidstrom 12 zu interagieren, wenn dieser die Öffnung 26a passiert und, um den Fluidstrom 12 sensorisch zu erfassen. Anders ausgedrückt, kann das Funk- tionselement 21 ausgebildet sein, um Eigenschaften des Fluidstroms 12 zu erfassen. The MEMS transducer 180 'may include another opening 26b in the substrate. For example, the opening 26b may be arranged such that the fluid stream 12 travels a long distance through the MEMS transducer 180. By way of example, the opening 26b may be arranged on one or in one of the MEMS structure 21 of the maximally removed side wall of the MEMS converter 180 '. The MEMS structure (functional element) 21 may be formed, for example, as a gas sensory functional element, which is arranged in the cover layer 32b. The gas sensing functional element 21 may be configured to interact with the fluid stream 12 as it passes through the opening 26a and to sensory capture the fluid stream 12. In other words, the functional element 21 can be designed to detect properties of the fluid flow 12.
Die vorangehend erläuterte komplementäre Funktionalität zweier Teile der elektronischen Schaltung kann beispielsweise bezogen auf das Gassensorelement auf einer Seite des Stapels, etwa der Unterseite, und eine elektronische Ansteuerung auf einer gegenüberlie- genden Seite des Stapels sein. Beispielsweise kann es sein, dass der Herstellungspro- zess für das Gassensorelement, etwa gefertigt in MEMS-Technologie, nicht oder mit hohem Aufwand in den Herstellungsprozess für die elektronische Schaltung, etwa gefertigt in CMOS-Technologie, auf der Vorderseite integrierbar ist, so dass die Aufteilung der Funktionalitäten in komplementäre Paare die Verwendung von Standardherstellungspro- zessen ermöglicht. Dies kann so erfolgen, dass einer dieser Standardprozesse genutzt wird, um die Ansteuerfunktion des Gassensors auf einem Wafer und die Ansteuerfunktion für die elektromechanischen Wandler in einem anderen Wafer zu implementieren, die später mittels Waferbonden mit einander zu dem MEMS-Wandler, etwa dem MEMS- Wandler 180, verbunden werden. Beispielsweise kann das gassensorische Funktionselement 21 die Öffnung 26a umschließen, um einen möglichst großen Kontakt einer Oberfläche mit dem Fluidstrom 12 bereitzustellen. Alternativ oder zusätzlich ist es vorstellbar, dass das gassensorische Funktionselement zumindest teilweise in die Öffnung hineinragt, etwa wenn ein Element zur Messung einer Strömungsgeschwindigkeit oder dergleichen angeordnet ist. The above-described complementary functionality of two parts of the electronic circuit can be, for example, with respect to the gas sensor element on one side of the stack, for example the underside, and an electronic control on an opposite side of the stack. For example, it is possible that the production process for the gas sensor element, for example manufactured using MEMS technology, can not be integrated into the manufacturing process for the electronic circuit, for example manufactured in CMOS technology, on the front side at great expense, so that the Division of functionalities into complementary pairs enables the use of standard manufacturing processes. This can be done by using one of these standard processes to implement the drive function of the gas sensor on one wafer and the drive function for the electromechanical converters in another wafer, which are later brought together by wafer bonding to the MEMS converter, such as the MEMS converter. Transducer 180 to be connected. For example, the gas-sensing functional element 21 can enclose the opening 26a in order to provide the largest possible contact of a surface with the fluid flow 12. Alternatively or additionally, it is conceivable that the gas-sensing functional element at least partially protrudes into the opening, for example when an element for measuring a flow velocity or the like is arranged.
In anderen Worten weist die Schicht 32b eine Öffnung auf. Eine zusätzliche Öffnung befindet sich im Schichtstapel auf der beispielsweise rechten Seite. Die fluidisch interagie- renden Elemente in der Schicht 36, d. h. die verformbaren Elemente oder die Plattenele- mente, sind in diesem Beispiel so ausgeführt, dass sie zusammen mit der Deckelschicht und mit der Bodenschicht 32a und 32b eine Mikropumpe ergeben. Zum Beispiel könnte über die Öffnung 26a die Umgebungsluft angesaugt und zur Öffnung 26b ausgestoßen werden. In dem Block 21 befindet sich beispielsweise ein Gassensor, der durch die Nähe zur Öffnung quasi-kontinuierlich mit Umgebungsluft versorgt wird. Dadurch kann der Sen- sor deutlich schneller auf Veränderungen in der Umgebungsluft reagieren, als in dem Fall, dass ein Gasaustausch nur basierend auf der Fusion erfolgt. In other words, the layer 32b has an opening. An additional opening is located in the layer stack on the right side, for example. The fluidically interacting elements in layer 36, d. H. the deformable elements or the plate elements are, in this example, designed so as to form a micropump together with the cover layer and with the bottom layer 32a and 32b. For example, the ambient air could be drawn in via the opening 26a and expelled to the opening 26b. In the block 21 is, for example, a gas sensor, which is supplied by the proximity to the opening quasi-continuously with ambient air. This allows the sensor to react much faster to changes in ambient air than in the case of gas exchange based on fusion only.
Fig. 19a zeigt eine schematische Ansicht einer Schicht 27, die Teil eines Schichtstapels eines MEMS-Wandlers gemäß Ausführungsbeispielen sein kann. Die Schicht 27 umfasst eine erste Hauptseite 29a und eine zweite Hauptseite 29b, wobei die linke Seite der Fig. 19 so dargestellt ist, dass die Hauptseite 29a sichtbar ist und in der rechten Seite der Fig. 19 durch Drehung der Schicht 27 um die Achse 23 die Seite 29b sichtbar ist. Die Seite 29a weist eine elektronische Struktur 31 a auf, die ein erstes Abstandsraster 33a aufweist. Die zweite Seite 29b weist ebenfalls eine elektronische Struktur 31 b auf, die ein hiervon verschiedenes Abstandsraster 33b aufweist. Die elektronischen Strukturen 31 a und 31 b können innerhalb der Adaptionsschicht 27 mit einander elektrisch verbunden sein, so dass durch die Adaptionsschicht 27 eine Anpassung oder Umsetzung des ersten Abstandsrasters 33a in das zweite Abstandsraster 33b und umgekehrt ermöglicht ist. Die Abstandsraster 33a und 33b können beispielsweise angepasst sein, um eine Kontaktie- rung einer jeweiligen Seite 29a oder 29b mit einer bestimmten Art von elektronischen Schaltungen zu vereinfachen oder zu ermöglichen. So kann beispielsweise eines der beiden Abstandsraster 33a oder 33b konfiguriert sein, um mit einer häufig genutzten oder Standard-Rasterung von Bauelementen oder Platinen kompatibel zu sein, während das andere Abstandsraster beispielsweise einen geringeren Strukturabstand aufweist, um eine kompakte Ausgestaltung von Schaltungsstrukturen in dem MEMS-Wandler zu er- möglichen. Alternativ hierzu können Abstände in dem Abstandsraster 33b auch größer sein als in dem Abstandsraster 33a. 19a shows a schematic view of a layer 27, which may be part of a layer stack of a MEMS converter according to exemplary embodiments. The layer 27 comprises a first main side 29a and a second main side 29b, wherein the left side of Fig. 19 is shown with the main side 29a visible and in the right side of Fig. 19 by rotation of the layer 27 about the axis 23 page 29b is visible. The side 29 a has an electronic structure 31 a, which has a first spacing grid 33 a. The second side 29b also has an electronic structure 31b which has a spacing grid 33b different therefrom. The electronic structures 31 a and 31 b may be electrically connected to each other within the adaptation layer 27, so that adaptation or conversion of the first spacing grid 33 a into the second spacing grid 33 b and vice versa is made possible by the adaptation layer 27. For example, the spacing grids 33a and 33b may be adapted to facilitate or facilitate contacting a respective side 29a or 29b with a particular type of electronic circuit. For example, one of the two pitches 33a or 33b may be configured to be compatible with a commonly used or standard screening of devices or boards, while the other pitch grid has a smaller pitch, for example, to provide a more compact design of circuit structures in the MEMS. Converter to be possible. Alternatively, distances in the pitch grid 33b may be larger than in the pitch grid 33a.
Die Schicht 27 kann eine beliebige Schicht in dem Schichtstapel sein, beispielsweise eine Schicht, die eine Kontaktierung zu anderen Komponenten ermöglicht, beispielsweise die Schichten 32a und/oder 32b in Fig. 17a. Das bedeutet, dass die Schicht 27 eine Deckelschicht des Stapels sein kann. The layer 27 can be any layer in the layer stack, for example a layer that allows contacting with other components, for example the layers 32a and / or 32b in FIG. 17a. This means that the layer 27 can be a cover layer of the stack.
Alternativ ist es ebenfalls möglich, dass die Schicht 27 ausschließlich als Adaptions- schicht zur Anpassung der Abstandsraster konfiguriert ist, das bedeutet, die elektronische Schaltung 17 nicht aufweist. Unabhängig hiervon kann die Schicht 27 eine Deckelschicht des Stapels sein, etwa wenn die elektronische Schaltung 17 nur an einer Seite des Stapels angeordnet ist. Die Schicht 27 kann als Deckelschicht eines Stapels angeordnet werden, was eine Nutzung derselben interposer d. h., Umsetzer ermöglicht. Das bedeutet, sie kann auch die Funktion eines Interposers erfüllen. Auf diese Schicht kann dann z. B. über Lötverfahren oder andere geeignete Verbindungsverfahren zur Herstellung der elektrischen Kontakte, ein weiterer Chip oder Schaltungsträger mit elektronischer und/oder sensorischer Funkti- onalität aufgebracht werden, der das entsprechende Abstandsraster aufweist. In Ausführungsbeispielen ist vorgesehen, dass auf diese Art, d. h., durch die zusätzlich kontaktierten Chips die ein Teil oder gar die gesamte elektronische Funktionalität für die Ansteue- rung / Auslese des Wandlers realisiert wird bzw. alle zusätzlichen sensorischen Funktionalitäten zur Verfügung gestellt werden. Alternatively, it is also possible for the layer 27 to be configured exclusively as an adaptation layer for adapting the spacing patterns, that is, the electronic circuit 17 does not have. Regardless, the layer 27 may be a cover layer of the stack, such as when the electronic circuit 17 is disposed only on one side of the stack. The layer 27 can be arranged as a cover layer of a stack, which is a use of the same interposer d. h., Translator allows. This means that it can also fulfill the function of an interposer. On this layer can then z. B. soldering or other suitable connection method for producing the electrical contacts, a further chip or circuit carrier with electronic and / or sensory func tionality are applied, which has the appropriate spacing grid. In embodiments it is provided that in this way, d. h., By the additionally contacted chips, the part or even the entire electronic functionality for the control / readout of the converter is realized or all additional sensory functionalities are provided.
Durch MEMS-Technologie ist es möglich, das gassensorische Element nicht nur in der Nähe der Öffnung 26a zu platzieren, sondern gegebenenfalls auch direkt über der Öffnung, d. h., das gassensorische Element kann in die Öffnung hineinragen. Hierzu kann das sensorische Element in der Öffnung 26a aufgehängt werden. Eine Pumpe mit einer zuvor beschriebenen Funktionalität kann auch beispielsweise einen Teil des verfügbaren Chipvolumens nutzen. Damit kann ein anderer Teil, etwa ein für einen Lautsprecher und/oder ein Mikrofon vorgesehener Bereich hierfür genutzt werden. Auch kann das Chipvolumen oder ein Teil davon als Ultraschallwandler eingesetzt werden oder für eine andere hierin beschriebene Funktion. Möglich ist der Einsatz der beschriebenen Technologie auch als Mikrodosiereinheit mit integrierter Sensorik und Signalverarbeitung. Beispielsweise kann ein Glukosesensor als MEMS-Element mit einer Mikropumpe integriert sein, die mit einem integrierten, in die Schicht 36 realisierten Reservoir verbunden ist. Sobald der Glukosesensor auf einen kriti- sehen Blutzuckerspiegel schließen lässt, kann die Pumpe die notwendige Insulinmenge aus dem Reservoir abgeben. Ähnliches ist für andere Medikamente und/oder Wirkstoffe wie beispielsweise Schmerzmittel denkbar, etwa als Morphin- oder Hydromorphonpumpe. Through MEMS technology, it is possible to place the gas sensor element not only in the vicinity of the opening 26a, but possibly also directly above the opening, ie, the gas sensor element may protrude into the opening. For this purpose, the sensory element can be suspended in the opening 26a. A pump with a previously described functionality may also utilize, for example, a portion of the available chip volume. In this way, another part, for example an area provided for a loudspeaker and / or a microphone, can be used for this purpose. Also, the chip volume or a portion thereof may be used as an ultrasonic transducer or for another function described herein. The use of the described technology is also possible as a microdosing unit with integrated sensors and signal processing. For example, a glucose sensor may be integrated as a MEMS element with a micropump, which is connected to an integrated, realized in the layer 36 reservoir. As soon as the glucose sensor indicates a critical blood sugar level, the pump can deliver the necessary amount of insulin from the reservoir. The same is conceivable for other medicaments and / or active substances such as analgesics, for example as a morphine or hydromorphone pump.
In anderen Worten beruht der neuartige Ansatz auch darauf, dass die Schallaufnahme bzw. die Schallwiedergabe durch einen MEMS-Chip erfolgt, bei dem die fluidisch aktiven Elemente nicht an der Chipoberfläche, sondern im Inneren des Chips untergebracht sind. Dadurch bleiben die Flächen an der Ober- und Unterseite des Chips vollständig oder zumindest in großen Teilen verfügbar für die monolithische Integration weiterer Sensoren, Aktoren und elektronischer Schaltkreise. Die Darstellungen hierein beziehen sich im We- sentlichen auf den Einsatz dieses Prinzips. Die Erfindung beschränkt sich jedoch nicht darauf, sondern ist allgemein für alle MEMS-Lautsprecher und MEMS-Mikrophone einsetzbar, bei denen die Schallerzeugung bzw. -Verarbeitung im inneren eines Chipvolumens erfolgt. Fig. 19b zeigt eine vorteilhafte Verwendung der Adaptionsschicht aus Fig. 19a. Wie bereits erwähnt, kann die Adaptionsschicht als Halbleiterschicht ausgeführt sein, das bedeutet, Halbleitermaterialien umfassen, etwa Silizium oder Galliumarsenid. An der ersten Schichthauptseite 29a kann die Adaptionsschicht 27 die erste elektronische Struktur 31 a mit dem ersten Abstandsraster 33a aufweisen. An der zweiten, gegenüberliegenden Schichthauptseite 29b kann die Adaptionsschicht 27 die zweite elektronische Struktur 31 b mit einem zweiten Abstandsraster 33b aufweisen. Die erste und die zweite elektronische Struktur 31 a und 31 b sind mit einander elektrisch verbunden, so dass eine Kontaktierung einer elektrischen Schaltung, etwa der Schaltung 17 auf einer der Seiten 29a oder 29b eine Umsetzung des Abstandsrasters 33a oder 33b auf das andere Abstandsraster 33b oder 33a ermöglicht. In other words, the novel approach is also based on the fact that the sound recording or the sound reproduction is performed by a MEMS chip, in which the fluidically active elements are not housed on the chip surface, but in the interior of the chip. As a result, the areas on the top and bottom of the chip remain completely or at least largely available for the monolithic integration of other sensors, actuators and electronic circuits. The illustrations here relate essentially to the use of this principle. However, the invention is not limited to this, but can generally be used for all MEMS loudspeakers and MEMS microphones in which the sound generation or processing takes place in the interior of a chip volume. FIG. 19b shows an advantageous use of the adaptation layer from FIG. 19a. As already mentioned, the adaptation layer can be embodied as a semiconductor layer, that is to say comprising semiconductor materials, such as silicon or gallium arsenide. On the first layer main side 29a, the adaptation layer 27 may have the first electronic structure 31a with the first spacing grid 33a. On the second, opposite layer main side 29b, the adaptation layer 27 may have the second electronic structure 31b with a second spacing grid 33b. The first and the second electronic structure 31 a and 31 b are electrically connected to each other, so that a contacting of an electrical circuit, such as the circuit 17 on one of the sides 29 a or 29 b, a conversion of the spacing grid 33 a or 33 b on the other spacing grid 33 b or 33a allows.
Die Adaptionsschicht 27 kann in einem MEMS-Schichtstapel angeordnet sein, etwa in einem hierin beschriebenen MEMS-Wandler. Der MEMS-Schichtstapel kann eine Schaltungsschicht 45 mit einer elektronischen Schaltung, etwa der elektronischen Schaltung 17, aufweisen, die eines der Abstandsraster 33a oder 33b aufweist. Die Schicht 45 kann bspw. die Schicht 32b oder eine andere Schicht mit einer elektronischen Schaltung sein. Die elektronische Schaltung 17 kann somit mit der ersten oder zweiten elektronischen Struktur 31 a oder 31 b elektrisch verbunden werden, so dass elektrische Schaltung 17 über die andere Schichthauptseite 29b und mithin mit einem anderen Abstandsraster kon- taktierbar ist, weshalb die Schicht 29 auch als Interposer verwendet werden kann. Ein mit der Adaptionsschicht 27 verbundener Schichtstapel kann ein hierin beschriebener Schichtstapel in Abwesenheit der elektronischen Steuerung 17 sein. Der Schichtstapel kann mittels der Adaptionsschicht 27 mit dem Schichtstapel verbunden werden, um so eine Auswertung und/oder Ansteuerung der verformbaren Elemente vorzunehmen. Wird bspw. der MEMS-Wandler 20 betrachtet, so könnte anstelle der elektronischen Schaltung auch die elektronische Struktur zum Verbinden mit der elektronischen Schaltung angeordnet sein, das bedeutet, die Schicht 32b könnte als Adaptionsschicht gebildet sein. The adaptation layer 27 may be arranged in a MEMS layer stack, such as in a MEMS converter described herein. The MEMS layer stack may include a circuit layer 45 having an electronic circuit, such as the electronic circuit 17, having one of the pitch grids 33a or 33b. The layer 45 may be, for example, the layer 32b or another layer with an electronic circuit. The electronic circuit 17 can thus be electrically connected to the first or second electronic structure 31 a or 31 b, so that electrical circuit 17 can be contacted via the other layer main side 29 b and therefore with a different spacing grid, for which reason the layer 29 also acts as an interposer can be used. A layer stack connected to the adaptation layer 27 may be a layer stack described herein in the absence of the electronic controller 17. The layer stack can be connected to the layer stack by means of the adaptation layer 27 so as to carry out an evaluation and / or control of the deformable elements. If, for example, the MEMS converter 20 is considered, instead of the electronic circuit, the electronic structure for connection to the electronic circuit could also be arranged, which means that the layer 32b could be formed as an adaptation layer.
Ein MEMS-Schichtstapel gemäß hierin beschriebener Ausführungsbeispiele kann einen MEMS-Wandler zum Interagieren mit dem Volumenstrom 12 eines Fluids bilden und fol- gendes umfassen: das Substrat 14, das einen Schichtstapel mit einer Mehrzahl von Schichten 32a-b, 34a-b, 36 aufweist, die eine Mehrzahl von Substratebenen bilden, und das eine Kavität 16 in dem Schichtstapel aufweist; einen elektromechanischen Wandler 18; 18a-f, der mit dem Substrat 14 in der Kavität (16) verbunden ist und ein sich in zumindest einer Bewegungsebene der Mehrzahl von Substratebenen verformbares Element 22; 22a-f; 30; 40; 150; 160 aufweist, wobei eine Verformung des verformbaren Elements 22; 22a-f; 30; 40; 150; 160 in der Bewegungsebene und der Volumenstrom 12 des Fluids kausal zusammenhängen; A MEMS layer stack according to embodiments described herein may form a MEMS transducer for interacting with the volume flow 12 of a fluid and include: the substrate 14 having a layer stack with a plurality of layers 32a-b, 34a-b, 36 forming a plurality of substrate planes and having a cavity 16 in the layer stack; an electromechanical transducer 18; 18a-f connected to the substrate 14 in the cavity (16) and an element 22 deformable in at least one plane of movement of the plurality of substrate planes; 22a-f; 30; 40; 150; 160, wherein a deformation of the deformable element 22; 22a-f; 30; 40; 150; 160 in the plane of motion and the volume flow 12 of the fluid are causally related;
Die elektronische Schaltung 17 ist über die Halbleilerschicht mit dem elektromechanischen Wandler 18; 18a-f verbunden. Die elektronische Schaltung 17 ist ausgebildet, um eine Konvertierung zwischen einer Verformung des verformbaren Elements 22; 22a-f; 30; 40; 150; 160 und einem elektrischen Signal bereitzustellen. The electronic circuit 17 is connected via the semiconductor layer with the electromechanical transducer 18; 18a-f connected. The electronic circuit 17 is configured to convert between a deformation of the deformable element 22; 22a-f; 30; 40; 150; 160 and provide an electrical signal.
Ein Verfahren zum Bereitstellen einer Halbleiterschicht 27 umfasst ein Anordnen einer ersten elektronischen Struktur 31 a an einer ersten Schichthauptseite 29a der Halbleiterschicht 27, so dass die erste elektronische Struktur 31 a ein erstes Abstandsraster 33a aufweist. Das Verfahren umfasst ferner ein Anordnen einer zweiten elektronischen Struktur 31 b an einer zweiten, gegenüberliegenden Schichthauptseite 29b der Halbleiterschicht 27, so dass diese ein zweites Abstandsraster 33b aufweist. Das Verfahren umfasst ein Verbinden der ersten und zweiten elektrischen Struktur 31 a und 31 b mit einander. A method of providing a semiconductor layer 27 comprises arranging a first electronic structure 31 a on a first layer main side 29 a of the semiconductor layer 27, such that the first electronic structure 31 a is a first spacing grid 33 a having. The method further comprises arranging a second electronic structure 31 b on a second, opposite layer main side 29 b of the semiconductor layer 27 so that it has a second spacing grid 33 b. The method comprises connecting the first and second electrical structures 31 a and 31 b with each other.
Fig. 20 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines MEMS-Systems 200, das den EMS-Wandler 80 aufweist, der mit einer Steuervorrichtung 128 verbunden ist, die ausgebildet ist, um eine Verarbeitung der dem MEMS-Wandler 80 bereitzustellenden Signale und/oder der von dem MEMS-Wandler empfangenen Signale auszuführen. Bspw. kann die elektronische Schaltung den elektrodynamischen Wandler der MEMS-Vorrichtung 80 ansteuern und/oder elektrische Signale von den elektrodynamischen Wandlern der MEMS-Vorrichtung 80 empfangen. Informationen, wie eine entsprechende Ansteuerung zu erfolgen hat und/oder eine Auswertung kann in der Steuervorrichtung 128 erfolgen. Weist der MEMS-Wandler 80 beispielsweise eine Vielzahl von elektromechanischen Wandler 18 auf, kann die Steuervorrichtung 128 ausgebildet sein, um Informationen für die Vielzahl von elektromechanischen Wandlern bereitzustellen, etwa für eine gemeinsame elektronische Schaltung und/oder oder für individuelle elektronische Schaltungen, so dass sich ein erster und ein benachbarter zweiter elektromechanischer Wandler während eines ersten Zeitintervalls zumindest lokal aufeinander zubewegen. Die Steuervorrichtung 128 kann ausgebildet sein, um die zumindest eine elektronische Schaltung einer Vielzahl von elektromechanischen Wandlern so anzusteuern, dass sich der erste elektromechani- sche Wandler und ein dritter elektromechanischer Wandler, der benachbart zu dem ersten elektromechanischen Wandler angeordnet ist während eines zweiten Intervalls aufeinan- der zubewegen, der erste elektromechanische Wandler kann zwischen dem zweiten und dem dritten elektromechanischen Wandler angeordnet sein. Beispielsweise kann es sich hier um die elektromechanischen Wandler 8a-c handeln, wobei der elektromechanische Wandler 18b der erste elektromechanische Wandler sein kann. Alternativ oder zusätzlich kann die Steuervorrichtung 128 ausgebildet sein, um ein elektrisches Signal, das auf einer Verformung des verformbaren Elementes basiert, von der elektronischen Schaltung zu empfangen und auszuwerten. Bspw. kann die Steuervorrichtung 128 ausgebildet sein, um eine Frequenz oder eine Amplitude der Verformung zu bestimmen. Das bedeutet, das System 200 kann als Sensor und/oder Aktor betrieben werden. Das System 200 kann beispielsweise als MEMS-Lautsprecher betrieben werden, wobei der Volumenstrom 12 eine akustische Schallwelle oder eine Uitraschallwelle sein kann. FIG. 20 shows a schematic block diagram of a MEMS system 200 having the EMS converter 80 connected to a controller 128 configured to process the signals to be provided to the MEMS converter 80 and / or that of the MEMS converter 80 MEMS converter to receive received signals. For example. For example, the electronic circuit may drive the electrodynamic transducer of the MEMS device 80 and / or receive electrical signals from the electrodynamic transducers of the MEMS device 80. Information as to how an appropriate control has to take place and / or an evaluation can be made in the control device 128. For example, if the MEMS converter 80 includes a plurality of electromechanical transducers 18, the controller 128 may be configured to provide information to the plurality of electromechanical transducers, such as a common electronic circuit and / or individual electronic circuits, such that a first and an adjacent second electromechanical transducer during a first time interval, at least locally move towards each other. The controller 128 may be configured to drive the at least one electronic circuit of a plurality of electromechanical transducers such that the first electromechanical transducer and a third electro-mechanical transducer disposed adjacent to the first electro-mechanical transducer interfere during a second interval. the move, the first electromechanical transducer can be arranged between the second and the third electromechanical transducer. For example, these may be the electromechanical transducers 8a-c, wherein the electromechanical transducer 18b may be the first electromechanical transducer. Alternatively or additionally, the controller 128 may be configured to receive and evaluate an electrical signal based on deformation of the deformable element from the electronic circuit. For example. For example, the controller 128 may be configured to determine a frequency or amplitude of deformation. This means that the system 200 can be operated as a sensor and / or actuator. For example, the system 200 may be operated as a MEMS loudspeaker, where the volumetric flow 12 may be an acoustic sound wave or a supersonic sound wave.
Alternativ kann das System 200 als MEMS-Pumpe ausgeführt sein. Eine Kavität des Sub- strats kann eine erste Öffnung 26 und eine zweite Öffnung 26 in dem Substrat 14 aufweisen. Der elektromechanische Wandler 18 kann ausgebildet sein, um den Volumenstrom 12 basierend auf dem Fluid bereitzustellen. Der elektromechanische Wandler kann ausgebildet sein, um das Fluid basierend auf einer Aktuierung des elektromechanischen Wandlers 18 durch die erste Öffnung 26 in eine Richtung der Kavität zu befördern oder, um das Fluid basierend auf der Aktuierung durch die zweite Öffnung in eine Richtung weg von der Kavität zu befördern. Alternatively, the system 200 may be implemented as a MEMS pump. A cavity of the substrate may have a first opening 26 and a second opening 26 in the substrate 14. The electromechanical transducer 18 may be configured to provide the volumetric flow 12 based on the fluid. The electromechanical transducer may be configured to move the fluid in a direction of the cavity based on actuation of the electromechanical transducer 18 through the first opening 26 or to move the fluid based on the actuation through the second opening in a direction away from the cavity to transport.
Alternativ kann das System 200 als MEMS-Mikrophon betrieben werden, wobei basierend auf der Verformung des verformbaren Elements ein elektrisches Signal an einem An- schluss des elektromechanischen Wandlers 80 oder eines anderen angeschlossenen elektromechanischen Wandlers erhaltbar ist. Basierend auf dem Volumenstrom 12 kann die Verformung des verformbaren Elements bewirkbar sein. Alternatively, the system 200 may be operated as a MEMS microphone, wherein based on the deformation of the deformable member, an electrical signal may be obtainable at a terminal of the electro-mechanical transducer 80 or other connected electromechanical transducer. Based on the volume flow 12, the deformation of the deformable element can be effected.
Alternativ oder zusätzlich können hierin beschriebene MEMS-Wandler als MEMS-Ventil oder MEMS-Dosiersystem, ausgeführt sein. Ein MEMS-Dosiersystem kann bspw. für implantierbare Medikamentation und/oder Insulinpumpen einsetzbar sein. Alternatively or additionally, MEMS transducers described herein may be embodied as a MEMS valve or MEMS dosing system. A MEMS dosing system can be used, for example, for implantable medication and / or insulin pumps.
Obwohl das System 200 so beschrieben ist, dass die Steuervorrichtung 128 mit dem MEMS-Wandler 80 verbunden ist, kann auch ein anderer MEMS-Wandler angeordnet sein, etwa der MEMS-Wandler 10, 20, 50, 100, 1 10, 170, 180, 180', 230 und/oder 240. Alternativ oder zusätzlich können auch mehrere MEMS-Wandler gemäß vorangehend beschriebenen Ausführungsbeispielen angeordnet sein. Alternativ oder zusätzlich kann ein Stapel von MEMS-Wandler MEMS-Wandlern angeordnet sein, etwa der Stapel 90 oder 140. Alternativ oder zusätzlich können zumindest zwei MEMS-Wandler angeordnet sein. Zumindest ein erster MEMS-Wandler und ein zweiter MEMS-Wandler können Kavi- täten oder Teilkavitäten und/oder elektromechanische Wandler mit voneinander verschiedenen Resonanzfrequenzen aufweisen, etwa eine Kammer mit 500 Hz-Aktoren, eine weitere Kammer oder eine weitere (Teil-)Kavität mit 2 kHz-Aktoren, etc.). Die vorangehend erläuterten MEMS-Wandler können in Vorrichtungen eingesetzt werden Ein Beispiel für eine solche Vorrichtung 210 gemäß einem Ausführungsbeispiel ist in Fig 21 a gezeigt. Die Vorrichtung 210 umfasst bspw. den MEMS-Wandier 10, kann aber alternativ oder zusätzlich auch einen anderen hierin beschriebenen MEMS-Wandier 20, 50, 100, 1 10, 170, 80, 180', 230 und/oder 240 umfassen. Der MEMS-Wandier ist bspw. als MEMS-Lautsprecher zu Erzeugung eines akustischen Fluidstroms 12 in Form von Schallwellen gebildet, wobei die Vorrichtung 210 als mobile Musikwiedergabevorrichtung oder als Kopfhörer ausgebildet ist. Although the system 200 is described as connecting the controller 128 to the MEMS converter 80, another MEMS converter may be arranged, such as the MEMS converters 10, 20, 50, 100, 110, 170, 180 , 180 ', 230 and / or 240. Alternatively or additionally, a plurality of MEMS converters according to embodiments described above may be arranged. Alternatively or additionally, a stack of MEMS converters may be arranged MEMS transducers, such as the stack 90 or 140. Alternatively or additionally, at least two MEMS transducers may be arranged. At least one first MEMS converter and a second MEMS converter may have cavities or partial cavities and / or electromechanical transducers with mutually different resonance frequencies, for example a chamber with 500 Hz actuators, a further chamber or a further (partial) cavity 2 kHz actuators, etc.). The above-explained MEMS converters can be used in devices. An example of such a device 210 according to an exemplary embodiment is shown in FIG 21 a shown. The device 210 includes, for example, the MEMS transducer 10, but may alternatively or additionally include another MEMS transducer 20, 50, 100, 110, 170, 80, 180 ', 230, and / or 240 described herein. The MEMS Wandier is formed, for example as a MEMS speaker for generating an acoustic fluid flow 12 in the form of sound waves, the device 210 is designed as a mobile music playback device or headphones.
Fig. 21 b zeigt ein schematisches Blockdiagramm eines Systems 215 gemäß einem Ausführungsbeispiel, das bspw. die Vorrichtung 210 umfassen kann. Der MEMS-Wandier 10 und/oder ein anderer angeordneter MEMS-Wandier kann als Lautsprecher ausgeführt sein und ausgebildet sein, um aufbauend auf einem Ausgabesignal 39 ein akustisches Signal in Form des Fiuidstroms 12 wiederzugeben. Bei dem Ausgabesignal kann es sich um ein analoges oder digitales Signal handeln, das akustische Informationen, etwa umfassend Sprachinformationen aufweist. Das System 215 kann bspw. als Universalüber- setzer und/oder als Navigationsassistenzsystem sowohl für indoor-Anwendungen (innerhalb von Gebäuden) als auch outdoor-Anwendungen (außerhalb von Gebäuden) ausgebildet sein. Hierfür kann das System 215 weitere Komponenten, etwa ein Mikrophon und/oder eine Vorrichtung zur Positionsbestimmung sowie eine Recheneinheit, etwa eine CPU aufweisen. Das Mikrophon kann ebenfalls als hierin beschriebener MEMS-Wandier gebildet sein. Die Recheneinheit kann ausgebildet sein, um einen Sprachinhalt in einer ersten Sprache, der mittels des Mikrophons erfasst wird, in eine zweite Sprache zu überführen, um das Ausgabesignal 39 mit der zweiten Sprache bereitzustellen. Alternativ kann die Recheneinheit ausgebildet sein, um basierend auf einer bestimmten Position das Ausgabesignal 39 so bereitzustellen, dass es eine Sprachinformation bezüglich der ermit- telten Position aufweist, was dann von dem MEMS-Wandier 10 wiedergegeben werden kann. FIG. 21 b shows a schematic block diagram of a system 215 according to an exemplary embodiment, which, for example, may include the device 210. The MEMS Wandier 10 and / or another arranged MEMS Wandier can be designed as a speaker and be designed to reproduce an output signal 39 to reproduce an acoustic signal in the form of the Fiuidstroms 12. The output signal may be an analog or digital signal having acoustic information, such as voice information. The system 215 can be designed, for example, as a universal translator and / or as a navigation assistance system both for indoor applications (inside buildings) and outdoor applications (outside buildings). For this purpose, the system 215 further components, such as a microphone and / or a device for determining position and a computing unit, such as a CPU. The microphone may also be formed as a MEMS transducer described herein. The arithmetic unit may be configured to convert a speech content in a first language detected by the microphone into a second speech to provide the second speech output signal 39. Alternatively, the arithmetic unit may be configured to provide, based on a particular position, the output signal 39 having speech information regarding the detected position, which may then be reproduced by the MEMS transducer 10.
Fig. 22 zeigt eine schematische Darstellung eines Gesundheitsassistenzsystems 220 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Gesundheitsassistenzsystem 220 umfasst eine Sensoreinrichtung 35 zum Erfassen einer Vitalfunktion eines Körpers 37 und zum Ausgeben eines Sensorsignals 39 basierend auf der erfassten Vitalfunktion. Das Gesundheitsassistenzsystem 220 umfasst eine Verarbeitungseinrichtung 41 zum Verarbeiten des Sensorsignals 39 und zu Bereitstellen eines Ausgabesignals basierend auf der Verarbeitung. Das Gesundheitsassistenzsystem 220 umfasst einen Kopfhörer, etwa die Vorrich- tung 200 umfassend einen MEMS-Wandier gemäß einem der hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele. Der MEMS-Wandier ist als Lautsprecher ausgeführt ist und umfasst eine Drahtlos-Kommunikationsschnittstelle zum Empfangen des Ausgabesignals 43. Der Lautsprecher 200 ist ausgebildet, um ein akustisches Signal basierend auf dem Ausgabesignal 43 wiederzugeben. Vorteile bietet eine Realisierung des Lautsprechers als Kopfhörer, insbesondere als In-Ear Kopfhörer. Bspw. kann die überwachte Vitalfunktion dem Benutzer angesagt werden, etwa ein Pulsschlag während dem Sport. Es ist auch möglich, dass eine aus der Vitalfunktion abgeleitete Größe ausgegeben wird, wie die Über- oder Unterschreitung eines Schwellwerts oder dergleichen. FIG. 22 shows a schematic representation of a health assistance system 220 according to one exemplary embodiment. The health assistance system 220 comprises a sensor device 35 for detecting a vital function of a body 37 and for outputting a sensor signal 39 based on the detected vital function. The health assistance system 220 comprises a processing device 41 for processing the sensor signal 39 and for providing an output signal based on the processing. The health assistance system 220 includes a headset, such as the device 200, including a MEMS wander according to any of the embodiments described herein. The MEMS Wandier is designed as a speaker and includes a wireless communication interface for receiving the output signal 43. The speaker 200 is configured to reproduce an acoustic signal based on the output signal 43. Benefits offers a realization of the speaker as headphones, especially as in-ear headphones. For example. The monitored vital function can be announced to the user, such as a pulse during exercise. It is also possible that a value derived from the vital function is output, such as the overshoot or undershoot of a threshold value or the like.
Fig. 23 zeigt eine schematische Aufsicht auf einen MEMS-Wandler 230, der eine Vielzahl von elektromechanischen Wandlern 18a bis 18s aufweist, wobei die elektromechanischen Wandler 18a bis 18f lateral nebeneinander versetzt zueinander in einer ersten Kavität 16a und die elektromechanischen Wandler 18g bis 18i lateral nebeneinander versetzt zueinander in einer zweiten Kavität 16b angeordnet sind. Die Kavitäten 16a und 16b können eine Öffnung in einer nicht dargestellten Boden- und/oder Deckelfläche des Substrats 14 aufweisen. Der MEMS-Wandler 230 kann als Lautsprecher und/oder Mikrofon einsetzbar sein, was sowohl für einzelne elektromechanische Wandler 18a bis 1 8s als auch für die elektromechanischen Wandler 18a bis 18f oder 18g bis 18i einer jeweiligen Kavität 16a und 16b gilt. Die Lautsprecher und/oder Mikrophone können auch so ausgestaltet werden, dass es für die Abgabe bzw. Aufnahme von Schallwellen über Vibrationen optimiert ist. Z. B. kann er mit dem menschlichen Körper, idealerweise nahe an einem Knochen, platziert werden, um mittels Körperschall Informationen zu übertragen bzw. aufzunehmen. In diesem Fall ist eine bevorzugte Variante die, in der sich alle Aktoren in jeweils die gleiche Richtung bewegen, das bedeutet unabhängig von einem Ansatz, dass eine Kammer zwei bewegliche Wände aufweist. Die elektromechanischen Wandler 18a bis 18i umfassen einseitig eingespannte Balkenelemente. Der MEMS-Wandler 230 umfasst die nicht dargestellte elektronische Schaltung 1 7. 23 shows a schematic plan view of a MEMS converter 230 which has a multiplicity of electromechanical converters 18a to 18s, wherein the electromechanical converters 18a to 18f are laterally offset from one another laterally in a first cavity 16a and the electromechanical converters 18g to 18i are laterally juxtaposed offset from each other in a second cavity 16b are arranged. The cavities 16a and 16b may have an opening in a bottom and / or top surface of the substrate 14, not shown. The MEMS converter 230 can be used as a loudspeaker and / or microphone, which applies to individual electromechanical transducers 18a to 18s as well as to the electromechanical transducers 18a to 18f or 18g to 18i of a respective cavity 16a and 16b. The speakers and / or microphones can also be designed so that it is optimized for the delivery or recording of sound waves via vibrations. For example, it may be placed with the human body, ideally close to a bone, to transmit or record information by means of structure-borne noise. In this case, a preferred variant is that in which all the actuators move in the same direction, that is, independent of an approach that a chamber has two movable walls. The electromechanical transducers 18a to 18i comprise cantilevered beam elements. The MEMS converter 230 includes the electronic circuit 1 7, not shown.
In anderen Worten enthält die linke Kammer, Kavität 16a, lateral oder vertikal bewegliche Biegeaktoren, die vorzugsweise in Phase schwingen und so den Chip in Vibration verset- zen, um damit Schall zu übertragen. Die rechte Kammer, Kavität 16b, enthält drei laterale oder vertikale Biegeaktoren, die ebenfalls vorzugsweise in Phase schwingen, die jedoch durch ihre Dimensionierung (Dicke, Länge oder Breite) einen anderen Frequenzbereich als die linke Kammer abbilden. Fig. 24 zeigt eine schematische Aufsicht auf einen MEMS-Wandler 240, der eine Vielzahl von elektromechanischen Wandlern 18a bis 18i aufweist, wobei die elektromechanischen Wandler 18a bis 18f lateral nebeneinander versetzt zueinander angeordnet sind und jeweils benachbarte Kavitäten 16a bis 16k oder Teilkavitäten von einander beabstanden. Die eiektromechanischen Wandler 18a bis 8i umfassen beidseitig eingespannte Balken- eiemente. Der EMS-Wandler 240 umfasst die nicht dargestellte elektronische Schaltung 17. In other words, the left chamber, cavity 16a, contains laterally or vertically movable bender actuators, which preferably vibrate in phase, vibrating the chip to transmit sound. The right chamber, cavity 16b, contains three lateral or vertical bending actuators, which also preferably oscillate in phase, but which by their dimensioning (thickness, length or width) represent a different frequency range than the left chamber. FIG. 24 is a schematic plan view of a MEMS converter 240 having a plurality of electromechanical transducers 18a to 18i, the electromechanical transducers 18a to 18i Transducers 18a to 18f laterally offset from each other are arranged side by side and each adjacent cavities 16a to 16k or part cavities spaced from each other. The electromechanical transducers 18a to 8i comprise cantilevered beam elements. The EMS converter 240 includes the electronic circuit 17, not shown.
Obwohl die Ausführungsbeispiele der Fig. 23 und 24 so dargestellt sind, dass der MEMS- Wandler 230 ausschließlich einseitig eingespannte Balkenelemente aufweist und der MEMS:Wandler 240 ausschließlich beidseitig eingespannte Balkenelemente aufweist, sind die Ausführungsformen auch beliebig mit einander kombinierbar, so dass je Kavität 16a oder 16b unabhängig von einander gleichartige elektromechanische Wandler oder innerhalb einer Kavität verschiedenartige elektromechanische Wandler angeordnet sein können. In anderen Worten zeigt Fig. 24 ein gleiches Prinzip wie in Fig. 23, jedoch sind diesmal beidseitig eingespannte Biegeaktoren eingesetzt. Although the exemplary embodiments of FIGS. 23 and 24 are illustrated such that the MEMS converter 230 has exclusively bar elements clamped on one side and the MEMS : converter 240 has bar elements clamped on both sides only, the embodiments can also be combined with one another as desired, so that each cavity 16a or 16b independently of each other similar electromechanical transducers or within a cavity various electromechanical transducers can be arranged. In other words, Fig. 24 shows a same principle as in Fig. 23, but this time used both sides clamped bending actuators.
Weitere Ausführungsbeispiele beziehen sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines MEMS-Wandlers. Das Verfahren umfasst ein Bereitstellen eines Substrats, das einen Schichtstapel mit einer Mehrzahl von Schichten aufweist, die eine Mehrzahl von Substratebenen bilden, und das eine Kavität in dem Schichtstapel aufweist. Das Verfahren umfasst ein Erzeugen eines eiektromechanischen Wandlers, in dem Substrat, so dass dieser mit dem Substrat in der Kavität verbunden ist und ein sich in zumindest einer Bewegungsebene der Mehrzahl von Substratebenen verformbares Element aufweist, wobei eine Verformung des verformbaren Elements in der Bewegungsebene und der Volumenstrom des Fluids kausal zusammenhängen. Das Verfahren umfasst ein Anordnen einer elektronischen Schaltung in einer Schicht des Schichtstapels, so dass die elektronische Schaltung mit dem eiektromechanischen Wandler verbunden ist, und ausgebildet ist, um eine Konvertierung zwischen einer Verformung des verformbaren Elements und einem elektrischen Signal bereitzustellen. Further exemplary embodiments relate to a method for producing a MEMS converter. The method includes providing a substrate comprising a layer stack having a plurality of layers forming a plurality of substrate planes and having a cavity in the layer stack. The method comprises generating an electromechanical transducer in the substrate so that it is connected to the substrate in the cavity and has a deformable in at least one plane of movement of the plurality of substrate planes element, wherein a deformation of the deformable element in the plane of motion and the Volume flow of the fluid causally related. The method includes placing an electronic circuit in a layer of the layer stack so that the electronic circuit is connected to the electromechanical transducer and configured to provide a conversion between deformation of the deformable element and an electrical signal.
Obwohl vorangehend beschriebene Ausführungsbeispiele sich darauf beziehen, dass der Volumenstrom erzeugbar ist, indem sich zwei elektromechanische Wandler aufeinander zubewegen, kann der Volumenstrom auch basierend oder in kausaler Wechselwirkung mit einer Bewegung eines eiektromechanischen Wandlers gegenüber einer starren Struktur, beispielsweise dem Substrat, erhalten werden. Das bedeutet, dass ein Volumen einer Teilkavität oder eines Teilkavitätsabschnitts von einem einzelnen elektromechanischen Wandler beeinflusst sein kann. Although embodiments described above relate to the volumetric flow being producible by moving two electromechanical transducers toward each other, the volumetric flow can also be obtained based or in causal interaction with movement of an electromechanical transducer relative to a rigid structure such as the substrate. That means a volume of one Partial cavity or a Teilkavitätsabschnitts may be influenced by a single electromechanical transducer.
Vorangehend beschriebene Ausführungsbeispiele, die ein verformbares Element aufwei- sen, das ausgebildet ist, um eine mehrfache Krümmung auszuführen und/oder mit einem Plattenelement verbunden ist, können verglichen mit der Konfiguration, wie sie im Zusammenhang mit der Fig. 1 beschrieben ist, nutzbar sein, um einen deutlich höheren Volumenstrom zu erzeugen oder um auf einen Volumenstrom deutlich sensibler zu reagieren. Previously described embodiments having a deformable member configured to perform a multiple curvature and / or connected to a plate member may be useful as compared to the configuration described in connection with FIG in order to generate a significantly higher volume flow or to react more sensitively to a volume flow.
Ausführungsbeispiele ermöglichen den frequenzabhängigen Verlauf des Schalldrucks flexibel einstellbar zu machen, um insbesondere auch den häufig angestrebten Fall eines möglichst flachen Frequenzverlaufs zu ermöglichen. Um eine frequenzabhängige Schalldruckkurve mit möglichst wenigen Kammern des MEMS-Wandlers selbigen möglichst flach zu gestalten, ist es vorteilhaft, wenn die Güte der schwingungsfähigen Biegebalken gering ist, d. h. die Biegebalken weisen eine breite Resonanzkurve auf. Dazu kann die Einspannung der Balken so ausgeführt werden, dass mittels eines dämpfenden Materials die Balkenschwingung zusätzlich gedämpft wird. Die Einspannung des Balkens wird dazu bevorzugt aus einem nichtkristallinen Material hergestellt. Dazu zählen Siliziumoxid, Polymere, wie z. B. SU8 oder andere Resiste. Eine Dämpfung der Balkenschwingung kann auch elektrisch erreicht werden. Beispielsweise fließt während der freien Balkenschwingung bei einem elektrostatischen oder piezoelektrischen Aktor bei anliegender Spannung aufgrund der Veränderung der Kapazität ein peri- odisch wechselnder Strom. Durch geeignet vorgesehene elektrische Widerstände entsteht eine Verlustleistung, die zur Dämpfung der Schwingung führt. Auch ein vollständiger elektrischer Schwingkreis (d. h. zusätzlich wird eine integrierte oder externe Spule vorgesehen) ist möglich. Eine Dämpfung kann auch erreicht werden, indem zusätzliche Strukturen an den Biegebalken realisiert werden, welche einen signifikanten Strömungswider- stand für das Fluid beim Ein- bzw. Ausströmen in bzw. aus der Kammer darsteilen. Embodiments make it possible to make the frequency-dependent progression of the sound pressure flexibly adjustable, in order in particular to enable the frequently desired case of a flat frequency response as possible. In order to design a frequency-dependent sound pressure curve with as few chambers of the MEMS converter as flat as possible, it is advantageous if the quality of the oscillating bending beam is low, d. H. the bending beams have a broad resonance curve. For this purpose, the clamping of the beams can be carried out so that by means of a damping material, the beam vibration is additionally attenuated. The clamping of the beam is preferably made of a non-crystalline material. These include silica, polymers, such as. B. SU8 or other resists. An attenuation of the bar oscillation can also be achieved electrically. For example, during the free beam oscillation in the case of an electrostatic or piezoelectric actuator, due to the change in the capacitance, a periodically alternating current flows when the voltage is present. By suitably provided electrical resistances creates a power loss, which leads to the damping of the vibration. Also, a complete electrical resonant circuit (i.e., an integrated or external coil is additionally provided) is possible. Damping can also be achieved by implementing additional structures on the bending beams which provide a significant flow resistance for the fluid as it flows in and out of the chamber.
Gerade für die Darstellung niedriger Resonanzfrequenzen - zur Erzeugung bzw. Detektion von tiefen Frequenzen - kann es vorteilhaft sein, die Masse der Biegebalken zu erhöhen. Um dabei die Steifigkeit nicht wesentlich zu erhöhen, werden dafür vorzugsweise im Be- reich der größten Schwingungsamplituden zusätzliche Strukturen angebracht. Im Falle eines einseitig eingespannten Balkens ist der optimale Ort bzw. der Bereich der größten Schwingungsamplituden das Ende des Biegebalkens. Im Fall eines zweiseitig eingespannten Balkens ist dies die Mitte des Balkens. Especially for the representation of low resonance frequencies - for the generation or detection of low frequencies - it may be advantageous to increase the mass of the bending beam. In order not to significantly increase the rigidity, additional structures are preferably applied in the region of the greatest vibration amplitudes. In the case of a cantilever beam, the optimal location or area is the largest Vibration amplitudes the end of the bending beam. In the case of a two-sided clamped beam, this is the middle of the beam.
In anderen Worten beruht eine Erkenntnis der vorliegenden Erfindung darauf, dass durch Kompression bzw. Expansion von Kammern, d. h. Teilkavitäten oder Teilkavitätsabschnit- ten, die in einem Siliziumchip gebildet werden können, ein Volumenstrom generiert wird oder erfassbar wird. Jede Kammer kann mit einem Einlass oder Auslass versehen sein, durch den ein Fluid, etwa Luft, ein- bzw. ausströmen kann. Die Kammern können entlang einer Richtung senkrecht zu der lateralen Bewegungsrichtung (beispielsweise oben und unten) durch einen festen Deckel verschlossen sein. Mindestens eine der seitlichen Wände jeder Kammer ist beweglich oder verformbar ausgebildet und kann durch einen Aktor so verschoben werden, dass sich das Volumen dieser Kammer verringert oder erhöht. In other words, one finding of the present invention is that compression or expansion of chambers, i. H. Partial cavities or Teilkavitätsabschnit- th which can be formed in a silicon chip, a volume flow is generated or becomes detectable. Each chamber may be provided with an inlet or outlet through which a fluid, such as air, may flow in and out. The chambers may be closed by a fixed lid along a direction perpendicular to the lateral direction of movement (eg, top and bottom). At least one of the lateral walls of each chamber is designed to be movable or deformable and can be displaced by an actuator in such a way that the volume of this chamber is reduced or increased.
Vorangehend beschriebene Ausführungsbeispiele von MEMS-Wandiern können elektri- sehe Verbindungen, Bondpads oder dergleichen aufweisen, die der Übersichtlichkeit halber in den Figuren nicht gezeigt sind. Previously described embodiments of MEMS Wandiern may have electrical connections see, bond pads or the like, which are not shown in the figures for clarity.
Vorangehend beschriebene Ausführungsbeispiele beziehen sich auf Mehrwegelautsprecher oder N-Wege-Lautsprecher die basierend auf unterschiedlichen Resonanzfrequen- zen von zumindest zwei Kavitäten oder Teilkavitäten erhalten werden können. Die elekt- romechanischen Wandler und die Kavitäten oder Teilkavitäten können so auf einander abgestimmt sein, dass ein Schalldruckpegel (SPL) zumindest abschnittsweise, eine Funktion der Resonanzfrequenz ist, d. h. mehrere Aktorkammern können verschiedenen Frequenzverläufe aufweisen (SPL = f(Frequenz)). Das bedeutet, dass Werte von Schall- druckpegeln, die basierend auf der Verformung der verformbaren Elemente und basierend auf der Teilkavitäten erhalten werden, einen Zusammenhang mit einer Frequenz des Volumenstroms, der aus oder in die jeweilige Teilkavität strömt, aufweisen. Der Zusammenhang kann als Funktion darstellbar sein, wobei die Funktion bspw. linear sein kann, etwa SPL = x*Frequenz + b, wobei x und b Variablen sind. Alternativ kann die Funktion auch nichtlinear sein, etwa quadratisch, exponentiell oder basierend auf einer Wurzelfunktion. Der funktionelle Zusammenhang kann ohne weiteres auf verschiedene Teilkavitäten oder Kavitäten, die in verschiedenen MEMS-Wandlern angeordnet sind, übertragen werden. Somit kann die Frequenz des Volumenstroms einen frequenzabhängigen Verlauf eines Drucks in dem Fluid beschreiben. Die Siliziumchips der MEMS- andler können so gestaltet und so aus dem Scheibenverbund, der während einer Fertigung auf Wafer-Level erhalten wird, herausgelöst werden, dass sie für die jeweilige Anwendung eine angepasste Form aufweisen. So kann der Chip z. B. für die Anwendung als Lautsprecher in Hörgeräten oder In-Ear-Kopfhörern bei- spielsweise rund oder, was für den Verbrauch an Siliziumfläche auf der Scheibe besser geeignet ist, hexagonal gestaltet werden. Embodiments described above relate to reusable loudspeakers or N-way loudspeakers which can be obtained based on different resonance frequencies of at least two cavities or partial cavities. The electromechanical transducers and the cavities or partial cavities can be matched to one another such that a sound pressure level (SPL) is at least partially a function of the resonant frequency, ie several actuator chambers can have different frequency characteristics (SPL = f (frequency)). This means that values of sound pressure levels, which are obtained based on the deformation of the deformable elements and based on the partial cavities, have a relationship with a frequency of the volume flow flowing out of or into the respective partial cavity. The relationship may be represented as a function, where the function may, for example, be linear, such as SPL = x * frequency + b, where x and b are variables. Alternatively, the function may be nonlinear, such as quadratic, exponential, or based on a root function. The functional relationship can be easily transferred to different partial cavities or cavities arranged in different MEMS transducers. Thus, the frequency of the volumetric flow can describe a frequency-dependent course of a pressure in the fluid. The silicon chips of the MEMS andler can be designed and so out of the disk composite, which is obtained during a wafer-level manufacturing, be dissolved out that they have an adapted form for each application. So the chip z. B. for use as speakers in hearing aids or in-ear headphones, for example, round or, which is more suitable for the consumption of silicon surface on the disc, hexagonal design.
Die technische Ausgestaltung der monolithischen Integration von mikroelektronischen Komponenten bzw. Mikrosystemen auf der Oberfläche und Unterfläche eines MEMS- Lautsprechers, welcher das Chipvolumen zur Schallerzeugung nutzt, kann durch mehrere Aspekte ergänzt werden. Die mikroelektronischen Komponenten, etwa die MEMS- Strukturen können in eine oder mehrere Schichten integriert werden. Die elektronische Steuer- bzw. Auswerteschaltung, d. h. die elektronische Schaltung 17, kann einen Digital- Analog-Umsetzer und/oder einen PWM-Generator aufweisen. Eine Signalaufbereitung kann beispielsweise durch digitale Signalprozessierung erfolgen, die Teil der elektronischen Schaltung 17 sein kann. Die elektronische Schaltung 17 kann ferner Taktgeber und/oder Oszillatoren umfassen, kann eine Hochvolterzeugung, d. h. einen DC/DC- Konverter, eine Ladungspumpe oder einen Hochsetzsteller aufweisen, kann einen Decoder, etwa für digitale Audiosignale wie den „sound wire"-Standard oder einen MP3- Decoder aufweisen. Ferner kann die elektronische Schaltung einen Verstärker oder eine Strombank umfassen. Die elektronische Schaltung 17 kann einen Prozessor, etwa eine CPU aufweisen, der beispielsweise für Text-to-Speech- oder Speech-to-Text-Algorithmen nutzbar ist. Ferner kann die elektronische Schaltung 17 einen Haibleiterspeicher wie etwa einen RAM- oder einen Flash-Speicher aufweisen. Die MEMS-Wandler können MEMS- Sensoren wie etwa Beschleunigungssensoren, Temperatursensoren, Drehratensensoren, Lagesensoren oder Magnetfeldsensoren umfassen, die von Teilen der elektronischen Schaltung 7 oder weiteren Schaltungskomponenten angesteuert oder ausgelesen werden. Ferner können Temperatur- oder Feuchtigkeitssensoren oder Gassensoren vorgesehen werden. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, Funkschnittstellen und/oder Drahtlosschnittstellen für eine Nahfeldkommunikation vorzusehen, etwa eine Bluetooth- Schnittstelle. Auch ist es möglich, dass eine Mobilfunkschnittstelle, etwa für LTE und/oder eSIM (eingebettete SIM), eine Maschine-Maschine-Schnittstelle wie iBeacon oder physi- cal Web vorgesehen ist. Alternativ oder zusätzlich kann ein Empfänger für globale Navigationssatellitensysteme wie GBS integriert sein. Die MEMS-Wandler können als MEMS- Mikrofone und/oder MEMS-Lautsprecher oder dergleichen ausgeführt sein. Die MEMS-Wandler ermöglichen eine Systemfunktion, d. h. eine Kombination mit weiteren Funktionen oder Anwendungen. Hierzu gehören beispielsweise MP3-Player, Unterhai- tungstechnik, Streaming, Headset, Walkie-Talkie und dergleichen. Auch ist eine Anwendung in Hörgeräten möglich. Gesundheitsassistenzsysteme wie Fittnesstracker, die eine Aufzeichnung, einen Vergleich, eine Optimierung und/oder eine Ansage von Vitaldaten ermöglichen, wozu eine Schrittzählung, eine Körpertemperatur, eine Atemfrequenz und/oder ein Energieverbrauch gehören, sind ebenfalls vorstellbar. Systeme können sich auch auf Navigationsassistenzsysteme beziehen, die beispielsweise im öffentlichen Raum und/oder innerhalb von Gebäuden über Sprache-zu-Text- (Speech-to-Text) und/oder Text-zu-Sprache- (Text-to-Speech) Technologien oder Algorithmen Unterstützung ermöglichen. Dies kann sich beispielsweise auf eine bestimmte Personengruppe, wie etwa Blinde beziehen und/oder auf bestimmte Gebäude, wie etwa öffentliche Gebäude, Militärgebäude, Polizeigebäude oder Feuerwehrgebäude. In Steuerungssystemen können hierin beschriebene Ausführungsbeispiele beispielsweise zur Steuerung von Kommunikation und Geräten per Gesten und Sprache eingesetzt werden. Hier kann beispielsweise eine Mensch-Maschine-Schnittstelle über Speech-to-Text und/oder Text-to-Speech- Technologien und/oder Algorithmen vorgesehen sein. Auch sind Anwendungen in der Universaiübersetzung vorstellbar, etwa für eine simultane Übersetzung im Sprachbereich. Anwendungen in der virtuellen Realität sind ebenfalls implementierbar, beispielsweise eine rein akustische virtuelle Realität, etwa für blinde Menschen, eine unterstützende visuelle virtuelle Realität, die auch als „augmented reality" bezeichnet wird, ein hörbares internet, hörbare soziale Netzwerke oder dergleichen. Alternativ oder zusätzlich ist eine Audio-Signatur implementierbar, die eine Personalisierung der Sprachkommandos ermöglicht. Hierunter fallen beispielsweise sicherheitsrelevante Logins, etwa für ein hörbares Internet und eine Mensch-Maschine-Kommunikation. Eine Erkennung sicherheitskritischer akustischer Ereignisse, etwa ein Hilferuf ist ebenfalls implementierbar. Die selbigen Ausführungen gelten uneingeschränkt auch für MEMS-Mikrofone zur Aufnahme akustischer Signale. Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar. Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei. The technical design of the monolithic integration of microelectronic components or microsystems on the surface and lower surface of a MEMS loudspeaker, which uses the chip volume for sound generation, can be supplemented by several aspects. The microelectronic components, such as the MEMS structures, can be integrated into one or more layers. The electronic control or evaluation circuit, ie the electronic circuit 17, may comprise a digital-to-analog converter and / or a PWM generator. A signal conditioning can be done for example by digital signal processing, which may be part of the electronic circuit 17. The electronic circuit 17 may further comprise clocks and / or oscillators, may comprise a high-voltage generation, ie a DC / DC converter, a charge pump or a boost converter, a decoder, such as for digital audio signals such as the "sound wire" standard or a Furthermore, the electronic circuit may comprise an amplifier or a current bank The electronic circuit 17 may comprise a processor, such as a CPU, which may be used for example for text-to-speech or speech-to-text algorithms. Furthermore, the electronic circuit 17 may comprise a semiconductor memory such as a RAM or a flash memory The MEMS converters may comprise MEMS sensors such as acceleration sensors, temperature sensors, rotation rate sensors, position sensors or magnetic field sensors which are part of the electronic circuit 7 or more Circuit components can be controlled or read R moisture sensors or gas sensors are provided. Alternatively or additionally, it is possible to provide radio interfaces and / or wireless interfaces for near field communication, such as a Bluetooth interface. It is also possible that a mobile radio interface, for example for LTE and / or eSIM (embedded SIM), is provided for a machine-machine interface such as iBeacon or physical web. Alternatively or additionally, a receiver for global navigation satellite systems such as GBS can be integrated. The MEMS converters may be embodied as MEMS microphones and / or MEMS loudspeakers or the like. The MEMS converters enable a system function, ie a combination with other functions or applications. These include, for example, MP3 players, signage technology, streaming, headset, walkie talkie and the like. Also, an application in hearing aids is possible. Health assistance systems such as fitness trackers that allow for recording, comparison, optimization and / or announcement of vital signs, including step count, body temperature, respiratory rate, and / or energy consumption are also conceivable. Systems may also relate to navigation assistance systems, for example, in public space and / or within buildings via speech-to-text and / or text-to-speech technologies or enable algorithms support. This may, for example, refer to a specific group of persons, such as the blind, and / or to certain buildings, such as public buildings, military buildings, police buildings or fire-brigade buildings. In control systems, embodiments described herein may be used, for example, to control communication and devices by gestures and speech. Here, for example, a human-machine interface can be provided via speech-to-text and / or text-to-speech technologies and / or algorithms. Also, applications in the university translation are conceivable, for example, for a simultaneous translation in the language area. Virtual reality applications are also implementable, such as a purely acoustic virtual reality, such as for blind people, a supporting visual virtual reality, also referred to as augmented reality, an audible internet, audible social networks, etc. Alternatively or additionally For example, security-relevant logins, for example for an audible Internet and a human-machine communication, can be implemented, and a recognition of safety-critical acoustic events, for example a call for help, can also be implemented Also for MEMS microphones that record acoustic signals, although some aspects have been described in connection with a device, it should be understood that these aspects are also a description of the corresponding method, so that e in block or a component of a device is also to be understood as a corresponding method step or as a feature of a method step. Similarly, aspects described in connection with or as a method step also represent a description of a corresponding block or detail or feature of a corresponding device. The embodiments described above are merely illustrative of the principles of the present invention. It will be understood that modifications and variations of the arrangements and details described herein will be apparent to others of ordinary skill in the art. Therefore, it is intended that the invention be limited only by the scope of the appended claims and not by the specific details presented in the description and explanation of the embodiments herein.
Literatur literature
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Claims

Patentansprüche claims
MEMS-Wandier zum Interagieren mit einem Volumenstrom (12) eines Fluids mit: einem Substrat (14), das einen Schichtstapel mit einer Mehrzahl von Schichten (32a-b, 34a-b, 36) aufweist, die eine Mehrzahl von Substratebenen bilden, und das eine Kavität (16) in dem Schichtstapel aufweist; einem elektromechanischen Wandler (18; 8a-f), der mit dem Substrat (14) in der Kavität (16) verbunden ist und ein sich in zumindest einer Bewegungsebene der Mehrzahl von Substratebenen verformbares Element (22; 22a-f; 30; 40; 150; 160) aufweist, wobei eine Verformung des verformbaren Elements (22; 22a-f; 30; 40; 150; 160) in der Bewegungsebene und der Volumenstrom (12) des Fluids kausal zusammenhängen; einer elektronischen Schaltung (17; 17a-b), die in einer Schicht (32a-b) des Schichtstapels angeordnet ist, wobei die elektronische Schaltung (17; 17a-b) mit dem elektromechanischen Wandler (18; 18a-f) verbunden ist, und die ausgebildet ist, um eine Konvertierung zwischen einer Verformung des verformbaren Elements (22; 22a-f; 30; 40: 150; 160) und einem elektrischen Signal bereitzustellen. A MEMS Wandier for interacting with a volume flow (12) of a fluid comprising: a substrate (14) having a layer stack with a plurality of layers (32a-b, 34a-b, 36) forming a plurality of substrate planes, and having a cavity (16) in the layer stack; an electromechanical transducer (18; 8a-f) connected to the substrate (14) in the cavity (16) and a deformable in at least one plane of movement of the plurality of substrate planes element (22; 22a-f; 30; 40; 150; 160), wherein deformation of the deformable element (22; 22a-f; 30; 40; 150; 160) in the plane of motion and the volume flow (12) of the fluid are causally related; an electronic circuit (17; 17a-b) disposed in a layer (32a-b) of the layer stack, the electronic circuit (17; 17a-b) being connected to the electromechanical transducer (18; 18a-f), and configured to provide a conversion between deformation of the deformable member (22; 22a-f; 30; 40: 150; 160) and an electrical signal.
MEMS-Wandler gemäß Anspruch 1 , bei dem die elektronische Schaltung (17; 17a- b) ausgebildet ist, um ein elektrisches Ansteuersignal (In^ in eine Auslenkung des verformbaren Elements (22; 22a-f; 30; 40; 150; 160) zu konvertieren, oder um eine Verformung des verformbaren Elements (22; 22a-f; 30; 40; 150; 160) in ein elektrisches Ausgangssignal (Out2) zu konvertieren. A MEMS converter according to claim 1, wherein the electronic circuit (17; 17a-b) is adapted to provide an electrical drive signal (In) into a deflection of the deformable element (22; 22a-f; 30; 40; 150; 160). or to convert a deformation of the deformable element (22; 22a-f; 30; 40; 150; 160) into an electrical output signal (Out 2 ).
MEMS-Wandler gemäß Anspruch 2, bei dem die elektronische Schaltung (17; 17a- b) zumindest eines aus einem Digital-Anaiog-Wandier zum Konvertieren einer digitalen Version des Ansteuersignais (ln-ι) in eine analoge Version des Ansteuersignais (Out-, ), einem Analog-Digital-Wandler zum Umsetzen einer analogen Version des elektrischen Ausgangssignals (In-, ) in eine digitale Version des elektronischen Ausgangssignals (Out-, ), einem Signaldecoder, einem Prozessor, einem Halbleiterspeicher, einer Drahtloskommunikationsschnittstelle für eine Nahfeldkommunikation und einer Mobilfunkschnittstelle umfasst. MEMS-Wandler gemäß Anspruch 2 oder 3, bei dem die elektronische Schaltung (1 7; 17a-b) ausgebildet ist, um das elektrische Ansteuersignal (In) in eine Auslenkung des verformbaren Elements (22; 22a-f; 30; 40; 150; 160) zu konvertieren und einen schaltenden Verstärker umfasst, der ausgebildet ist, um ein digitales pulswei- tenmoduliertes Ansteuersignal für das verformbare Element (22; 22a-f; 30; 40; 150; 160) bereitzustellen. A MEMS converter according to claim 2, wherein the electronic circuit (17; 17a-b) comprises at least one of a digital Anaiog Wandier for converting a digital version of the drive signal (ln-ι) in an analog version of the drive signal (Out, ), an analog-to-digital converter for converting an analog version of the electrical output signal (In,) into a digital version of the electronic output signal (Out), a signal decoder, a processor, a semiconductor memory, a wireless communication interface for near-field communication and a Mobile interface includes. A MEMS converter according to claim 2 or 3, wherein said electronic circuit (17; 17a-b) is adapted to rotate said electrical drive signal (In) into a deflection of said deformable element (22; 22a-f; 30; 40; 150) 160) and includes a switching amplifier configured to provide a digital pulse width modulated drive signal to the deformable element (22; 22a-f; 30; 40; 150; 160).
MEMS-Wandler gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4, bei dem das verformbare Element (22; 22a-f; 30; 40; 150; 160) ein erstes verformbares Element (22; 22a-f; 30; 40; 150; 160) ist, wobei der MEMS-Wandler zumindest ein zweites verformbares Element (22; 22a-f; 30; 40; 50; 160) umfasst, wobei die elektronische Schaltung (17; 17a-b) ausgebildet ist, um das elektrische Ansteuersignal (In) in eine Auslenkung des ersten und des zweiten verformbaren Elements (22; 22a-f; 30; 40; 150; 160) zu konvertieren, oder um die Verformung des ersten und des zweiten verformbaren Elements (22; 22a-f; 30; 40; 150; 160) in das elektrische Ausgangssignal (Out2) zu konvertieren. A MEMS transducer according to any one of claims 2 to 4, wherein the deformable member (22; 22a-f; 30; 40; 150; 160) comprises a first deformable member (22; 22a-f; 30; 40; 150; 160). wherein the MEMS converter comprises at least one second deformable element (22; 22a-f; 30; 40; 50; 160), wherein the electronic circuit (17; 17a-b) is designed to generate the electrical drive signal (In). in a deflection of the first and second deformable members (22; 22a-f; 30; 40; 150; 160), or to deform the first and second deformable members (22; 22a-f; 30; 40; 150, 160) into the electrical output signal (Out 2 ).
MEMS-Wandler gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das verformbare Element (22; 22a-f; 30; 40; 150; 160) aktiv gebildet ist und ausgebildet ist, um mit dem Volumenstrom (12) zu interagieren; oder ein mit dem verformbaren Element (22; 22a-f; 30; 40; 150; 160) verbundenes und steif ausgebildetes Plattenelement (62; 62a-c) ausgebildet ist, um mit dem Volumenstrom ( 12) zu interagieren A MEMS transducer according to any one of the preceding claims, wherein the deformable member (22; 22a-f; 30; 40; 150; 160) is actively formed and configured to interact with the flow stream (12); or a plate member (62; 62a-c) connected to the deformable member (22; 22a-f; 30; 40; 150; 160) is formed to interact with the volumetric flow (12)
MEMS-Wandler gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Schicht (32a-b), in der die elektronische Schaltung (17; 17a-b) angeordnet ist, entlang einer Richtung senkrecht zu der Bewegungsebene angeordnet ist. A MEMS converter according to any one of the preceding claims, wherein the layer (32a-b) in which the electronic circuit (17; 17a-b) is disposed is arranged along a direction perpendicular to the plane of movement.
MEMS-Wandler gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Schicht (32a-b) in der die elektronische Schaltung (17; 17a-b) angeordnet ist, mit einer Außenseite des MEMS-Wandlers elektrisch verbunden ist oder die Außenseite des MEMS-Wandlers ist, und mit einer Leitungsanordnung kontaktierbar ist. A MEMS converter according to any one of the preceding claims, wherein the layer (32a-b) in which the electronic circuit (17; 17a-b) is disposed is electrically connected to an outside of the MEMS converter or the outside of the MEMS converter is, and is contactable with a line arrangement.
MEMS-Wandler gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Schicht (32a-b) in der die elektronische Schaltung (17; 17a-b) angeordnet ist eine erste Deckelschicht ist, wobei die elektronische Schaltung ( 17; 17a-b) eine erste elektronische Schaltung (17a) ist, und bei dem eine zweite elektronische Schaltung (17b) in einer zweiten Deckelschicht des Substrats (14) angeordnet ist. 10. MEMS-Wandler gemäß Anspruch 9, bei dem das verformbare Element (22; 22a-f; 30; 40; 150; 160) während einer Verformung zumindest zeitweise zwischen der ersten und der zweiten elektronischen Schaltung (17a, 17b) angeordnet ist. A MEMS converter according to any one of the preceding claims, wherein the layer (32a-b) in which the electronic circuit (17; 17a-b) is disposed is a first lid layer, the electronic circuit (17; 17a-b) being a first one electronic circuit (17a), and wherein a second electronic circuit (17b) is disposed in a second cover layer of the substrate (14). A MEMS transducer according to claim 9, wherein said deformable member (22; 22a-f; 30; 40; 150; 160) is at least temporarily disposed between said first and second electronic circuits (17a, 17b) during deformation.
1 1 . MEMS-Wandler gemäß Anspruch 9 oder 10, bei dem die zweite elektronische Schaltung (17b) mit dem eiektromechanischen Wandler (18; 18a-f) oder mit der ersten elektronischen Schaltung (17a) verbunden ist, und ausgebildet ist, um eine zur ersten elektronischen Schaltung (17a) komplementäre Funktion im Zusammenhang mit dem verformbaren Element 22; 22a-f; 30; 40; 150; 160) bereitzustellen. 1 1. A MEMS converter according to claim 9 or 10, wherein the second electronic circuit (17b) is connected to the electromechanical transducer (18; 18a-f) or to the first electronic circuit (17a) and adapted to be coupled to the first electronic Circuit (17a) complementary function in connection with the deformable element 22; 22a-f; 30; 40; 150; 160).
12. MEMS-Wandler gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Schichtstapel eine Adaptionsschicht (27) aufweist, die an einer ersten Schichthauptseite (29a) erste elektronische Struktur (31 a) mit einem ersten Abstandsraster (33a) aufweist und die an einer zweiten, gegenüberliegenden Schichthauptseite (29b) zweite elektronische Struktur (31 b) mit einem zweiten Abstandsraster (33b) aufweist, wobei die erste elektronischen Struktur und die zweite elektronische Struktur in der Adaptionsschicht mit einander verbunden sind. 12. MEMS converter according to one of the preceding claims, wherein the layer stack has an adaptation layer (27) on a first layer main side (29 a) first electronic structure (31 a) having a first spacing grid (33 a) and at a second , the opposite main layer side (29b) second electronic structure (31 b) having a second pitch grid (33b), wherein the first electronic structure and the second electronic structure in the adaptation layer are connected to each other.
13. MEMS-Wandler gemäß Anspruch 12, bei dem die Adaptionsschicht (27) eine Deckelschicht des Stapels ist, in der die elektronische Schaltung (17; 17a-b) zumindest teilweise angeordnet ist, oder eine Deckelschicht des Stapels ist, die elektrisch ausschließlich als Adaptionsschicht gebildet ist. 13. A MEMS converter according to claim 12, wherein the adaptation layer (27) is a lid layer of the stack in which the electronic circuit (17; 17a-b) is at least partially disposed, or a lid layer of the stack which is electrically exclusive of Adaptation layer is formed.
14. MEMS-Wandler gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Schicht (32a-b) in der die elektronische Schaltung (1 7; 7a-b) angeordnet ist, ein Funktionselement (21 ) umfasst, das mit der elektronischen Schaltung (17; 17a-b) verbunden ist, wobei die elektronische Schaltung (17; 17a-b) ausgebildet ist, um das Funktionselement (21 ) anzusteuern oder auszuwerten. 14. MEMS converter according to one of the preceding claims, in which the layer (32a-b) in which the electronic circuit (1 7; 7a-b) is arranged comprises a functional element (21) connected to the electronic circuit (17 17a-b), wherein the electronic circuit (17; 17a-b) is adapted to drive or evaluate the functional element (21).
15. MEMS-Wandler gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Schicht (32a-b) in der die elektronische Schaltung (17; 17a-b) angeordnet ist eine erste Deckelschicht ist, wobei die elektronische Schaltung ( 17; 17a-b) eine erste elektronische Schaltung (17a) ist, und bei dem eine zweite elektronische Schaltung (17b) und ein Funktionselement (21 ) in einer zweiten Deckelschicht des Substrats (14) angeordnet ist, wobei die zweite elektronische Schaltung (17b) mit dem Funktionselement (21 ) verbunden ist, und ausgebildet ist, um das Funktionselement (21 ) anzusteuern oder auszuwerten. 16. MEMS-Wandler gemäß Anspruch 14 oder 15, bei dem das Funktionselement (21 ) zumindest eines aus einem Sensor, einem Aktor, einer Drahtlos- Kommunikationsschnittstelle, einer Lichtquelle, einem Speicherbaustein, einem Prozessor und einem Navigationsempfänger umfasst. A MEMS converter according to any one of the preceding claims, wherein the layer (32a-b) in which the electronic circuit (17; 17a-b) is disposed is a first lid layer, the electronic circuit (17; 17a-b). a first electronic circuit (17a) is, and in which a second electronic circuit (17b) and a functional element (21) in a second cover layer of the substrate (14) is arranged, wherein the second electronic circuit (17b) with the functional element (21 ), and is designed to control or evaluate the functional element (21). 16. A MEMS converter according to claim 14 or 15, wherein the functional element (21) comprises at least one of a sensor, an actuator, a wireless communication interface, a light source, a memory module, a processor and a navigation receiver.
17. MEMS-Wandler gemäß Anspruch 16, bei dem das Funktionselement (21 ) zumindest eines aus einem MEMS-Sensor und einem MEMS-Aktor umfasst. 17. The MEMS converter according to claim 16, wherein the functional element (21) comprises at least one of a MEMS sensor and a MEMS actuator.
18. MEMS-Wandler gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die elektro- nische Schaltung (17; 17a-b) in einer Deckelschicht des Substrats (14) angeordnet ist, und bei der ferner ein gassensorisches Funktionselement in der Deckelschicht angeordnet ist, wobei die Deckelschicht eine Öffnung (26a) aufweist, die ausgebildet ist, um den Fluidstrom (12) passieren zu lassen, wobei das gassensorische Funktionselement ausgebildet ist, um mit dem Fluidstrom (12) sensorisch zu intera- gieren. 18. The MEMS converter according to claim 1, wherein the electronic circuit is arranged in a cover layer of the substrate, and further wherein a gas sensor functional element is arranged in the cover layer the cover layer has an opening (26a) which is designed to allow the fluid flow (12) to pass, wherein the gas-sensory functional element is designed to interact with the fluid flow (12) in a sensor-like manner.
19. MEMS-Wandler gemäß Anspruch 18, bei dem die Öffnung von dem gassensori- schen Funktionselement (21 ) in der Deckelschicht umschlossen ist. 20. MEMS-Wandler gemäß Anspruch 18, bei dem das gassensorische Funktionselements (21 ) zumindest teilweise in die Öffnung (26a) hineinragt. 19. MEMS converter according to claim 18, in which the opening is enclosed by the gas-sensing functional element (21) in the cover layer. 20. MEMS converter according to claim 18, in which the gas-sensing functional element (21) projects at least partially into the opening (26a).
21 . MEMS-Wandler gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Schicht (32a-b) in der die elektronische Schaltung (17; 17a-b) angeordnet ist, eine erste Substratschicht ist, und bei der die elektronische Schaltung (17; 17a-b) zumindest teilweise in einer benachbarten zweiten Substratschicht angeordnet ist. 21. A MEMS converter according to any one of the preceding claims, wherein the layer (32a-b) in which the electronic circuit (17; 17a-b) is disposed is a first substrate layer, and wherein the electronic circuit (17; 17a-b ) is at least partially disposed in an adjacent second substrate layer.
22. MEMS-Wandler gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die elektronische Schaltung (17; 17a-b) entlang einer Richtung senkrecht zu der Beweg ungs- ebene angeordnet ist, und ein Ort der elektronischen Schaltung ( 17; 17a-b), wenn dieser in die Bewegungsebene projiziert wird, einem Ort entspricht, an dem sich das verformbare Element (22; 22a-f; 30; 40; 150; 160) während der Verformung zumindest zeitweise befindet. 23. MEMS-Wandler gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der elekt- romechanische Wandler (18; 18a-f) ausgebildet ist, um ansprechend auf eine elektrische Ansteuerung (Out, Outi ) der elektronischen Schaltung (17; 1 7a-b) kausal eine Bewegung des Fluids in der Kavität (16) zu bewirken und/oder um ansprechend auf die Bewegung des Fluids in der Kavität (16) kausal ein elektrisches Signal (Out2) mit der elektronischen Schaltung (17; 17a-b) bereitzustellen. 22. A MEMS converter according to one of the preceding claims, wherein the electronic circuit (17; 17a-b) is arranged along a direction perpendicular to the plane of movement, and a location of the electronic circuit (17; 17a-b), when projected into the plane of motion corresponds to a location where the deformable element (22; 22a-f; 30; 40; 150; 160) is at least temporarily during deformation. 23. MEMS converter according to one of the preceding claims, in which the electromechanical converter (18; 18a-f) is designed to operate in response to an electrical control (Out, Outi) of the electronic circuit (17; 1 7a-b). causally cause movement of the fluid in the cavity (16) and / or to be appealing to causally provide an electrical signal (Out 2 ) with the electronic circuit (17; 17a-b) to the movement of the fluid in the cavity (16).
ME S-Wandler gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, umfassend eine Mehrzahl von elektromechanischen Wandlern (18; 18a-f), wobei das ein erstes und ein zweites verformbares Element (22; 22a-f; 30; 40; 150; 160) eine Balkenstruktur (30) umfassen, die ausgebildet sind, um sich entlang einer axialen Richtung der Balkenstruktur (30) zu verkrümmen; wobei zwischen den Balkenstrukturen (30) des ersten elektromechanischen Wandlers (18b, 18d) und des zweiten elektromechanischen Wandlers (18c, 18e) eine erste Teilkavität (42a, 42b) angeordnet ist, die an eine Öffnung (26) des Substrats (14) angrenzt A ME S transducer according to any one of the preceding claims, comprising a plurality of electromechanical transducers (18; 18a-f), said first and second deformable members (22; 22a-f; 30; 40; 150; 160) having a beam structure (30) configured to warp along an axial direction of the beam structure (30); wherein between the beam structures (30) of the first electromechanical transducer (18b, 18d) and the second electromechanical transducer (18c, 18e), a first Teilkavität (42a, 42b) is disposed adjacent to an opening (26) of the substrate (14)
MEMS-Wandler gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, der eine Vielzahl von elektromechanischen Wandlern (18; 18a-f) aufweist, die mit dem Substrat (14) verbunden sind, und jeweils ein entlang der lateralen Bewegungsrichtung (24) verformbares Element (22; 22a-f; 30; 40; 150; 160) aufweisen; wobei zwischen einem ersten elektromechanischen Wandler (18b, 18d) und einem zweiten elektromechanischen Wandler (18c, 18e) eine erste Teilkavität (42a, 42b) angeordnet ist und zwischen dem zweiten elektromechanischen Wandler (18b, 18d) und einem dritten elektromechanischen Wandler (18a, 8c) eine zweite Teilkavität (38a, 38b) angeordnet ist. A MEMS transducer according to any one of the preceding claims, comprising a plurality of electromechanical transducers (18; 18a-f) connected to the substrate (14) and a respective deformable element (22; 22a) along the lateral direction of movement (24) -f; 30; 40; 150; 160); wherein a first subcavity (42a, 42b) is arranged between a first electromechanical transducer (18b, 18d) and a second electro-mechanical transducer (18c, 18e) and between the second electro-mechanical transducer (18b, 18d) and a third electro-mechanical transducer (18a, 8c) a second partial cavity (38a, 38b) is arranged.
MEMS-Wandler gemäß Anspruch 25, wobei der erste und der zweite elektromecha- nische Wandler (18b, 18d) ausgebildet sind, um sich ein Volumen der ersten Teilkavität mit einer ersten Frequenz zu verändern, wobei der erste ( 18b, 18d) und der dritte elektromechanische Wandler (18a, 18c) ausgebildet sind, um ein Volumen der zweiten Teilkavität mit einer zweiten Frequenz zu verändern. 27. MEMS-Wandler gemäß einem der Ansprüche 25 oder 26, bei dem das Substrat (14) eine Vielzahl von Öffnungen aufweist, die mit einer Vielzahl von Teilkavitäten der Kavität (16) verbunden sind, wobei ein Volumen jeder Teilkavität von einem Auslen- kungszustand zumindest eines entlang der lateralen Bewegungsrichtung verformbaren Elements beeinflusst ist, wobei zwei benachbarte Teilvolumina von Teilkavitäten komplementär während dem ersten oder zweiten Zeitintervali vergrößerbar oder verkleinerbar sind. EMS-Wandler gemäß einem der Ansprüche 25 bis 27, bei dem die verformbaren Elemente (22; 22a-f; 30; 40; 150; 160) des ersten elektromechanischen Wandlers (18b, 18d), des zweiten elektromechanischen Wandlers (18c, 18e) und des dritten elektromechanischen Wandlers (18a, 18c) einen Balkenaktor (30) umfassen, der jeweils ein erstes und ein zweites Ende aufweist, wobei der Balkenaktor (30) des ersten elektromechanischen Wandlers (18b, 18d) an dem ersten Ende und dem zweiten Ende mit dem Substrat (14) verbunden ist, wobei der der Balkenaktor des zweiten elektromechanischen Wandlers (18c, 18e) oder des dritten elektromechanischen Wandlers (18a, 18c) in einem Mittenbereich des Balkenaktors mit dem Substrat (14) verbunden ist. The MEMS transducer of claim 25, wherein the first and second electromechanical transducers (18b, 18d) are configured to vary a volume of the first subcavity at a first frequency, the first (18b, 18d) and the third electromechanical transducers (18a, 18c) are adapted to vary a volume of the second subcavity at a second frequency. 27. The MEMS transducer according to claim 25, wherein the substrate has a plurality of openings connected to a plurality of partial cavities of the cavity, wherein a volume of each partial cavity is of a deflection state at least one deformable along the lateral direction of movement element is influenced, wherein two adjacent sub-volumes of partial cavities are complementarily increased or reduced during the first or second time intervals. An EMS converter according to any one of claims 25 to 27, wherein the deformable elements (22; 22a-f; 30; 40; 150; 160) of the first electromechanical transducer (18b, 18d) of the second electromechanical transducer (18c, 18e) and the third electromechanical transducer (18a, 18c) comprise a beam actuator (30) having first and second ends, respectively, the beam actuator (30) of the first electromechanical transducer (18b, 18d) at the first end and the second end is connected to the substrate (14), wherein the beam actuator of the second electro-mechanical transducer (18c, 18e) or the third electro-mechanical transducer (18a, 18c) is connected in a central region of the beam actuator with the substrate (14).
MEMS-Wandler gemäß einem der Ansprüche 25 bis 28, bei dem das Substrat (14) eine Vielzahl von Öffnungen (26) aufweist, die mit einer Vielzahl von Teilkavitäten (42a-b, 38a-c) der Kavität (16) verbunden sind, wobei ein Volumen jeder Teiikavität (42a-b, 38a-c) von einem Auslenkungszustand zumindest eines entlang der lateralen Bewegungsrichtung (24) verformbaren Elements (22; 22a-f; 30; 40; 150; 160) beeinflusst ist, wobei Werte von Schalldruckpegeln, die basierend auf der Verformung der verformbaren Elemente (22; 22a-f; 30; 40; 150; 160) und basierend auf der Teilkavitäten (42a-b, 38a-c) erhalten werden, einen Zusammenhang mit einer Frequenz des Volumenstroms (12), der aus oder in die jeweilige Teiikavität (42a-b, 38a-c) strömt, aufweisen, der als Funktion darstellbar ist; wobei die Frequenz des Volumenstroms (12) einen frequenzabhängigen Verlauf eines Drucks in dem Fluid beschreibt. A MEMS transducer according to any one of claims 25 to 28, wherein the substrate (14) has a plurality of apertures (26) connected to a plurality of sub-cavities (42a-b, 38a-c) of the cavity (16). wherein a volume of each sub-cavity (42a-b, 38a-c) is influenced by a deflection state of at least one deformable element (22; 22a-f; 30; 40; 150; 160), wherein values of sound pressure levels , which are obtained based on the deformation of the deformable elements (22; 22a-f; 30; 40; 150; 160) and based on the partial cavities (42a-b, 38a-c), a relationship with a frequency of the volume flow (12 ), which flows out of or into the respective partial cavity (42a-b, 38a-c), which can be represented as a function; wherein the frequency of the volume flow (12) describes a frequency-dependent course of a pressure in the fluid.
MEMS-Wandler gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der elekt- romechanische Wandler (18; 18a-f) eine Mehrzahl von in axialer Richtung (y) des elektromechanischen Wandlers (18; 18a-f) zumindest mittelbar verbundene verformbare Elemente (22; 22a-f; 30; 40; 150; 160) umfasst. die ausgebildet sind, um jeweils ein Volumen eines ersten und eines zweiten Teilkavitätsabschnitts (96a,A MEMS transducer according to any one of the preceding claims, wherein the electromechanical transducer (18; 18a-f) comprises a plurality of deformable elements (22; i) at least indirectly connected in the axial direction (y) of the electromechanical transducer (18; 22a-f; 30; 40; 150; 160). which are designed to each have a volume of a first and a second partial cavity section (96a,
96b) zu beeinflussen. MEMS-Wandler gemäß Anspruch 30, wobei der elektromechanische Wandler (18; 18a-f) ausgebildet ist, um ansprechend auf eine elektrische Ansteuerung ( 129a) kausal eine Bewegung des Fluids in dem ersten (96a) und zweiten Teilkavitätsab- schnitt (96b) zu bewirken, wobei die verformbaren Elemente (22; 22a-f; 30; 40; 150; 160) ausgebildet sind, um die Volumina des ersten (96a) und zweiten Teilkavitäts- abschnitts (96b) mit einer von einander verschiedenen Frequenz zu verändern. 96b). The MEMS transducer of claim 30, wherein the electromechanical transducer (18; 18a-f) is configured to causally move the fluid in the first (96a) and second subcavity portions (96b) in response to an electrical drive (129a) the deformable elements (22; 22a-f; 30; 40; 150; 160) are adapted to change the volumes of the first (96a) and second Teilkavitäts- section (96b) with a different frequency from each other.
32. MEMS-Wandler gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das verform- bare Element (22; 22a-f; 30; 40; 150; 160) kontaktfrei zu einer die Kavität (16) parallel zur Bewegungsebene definierende Schicht (32a-b) des Substrats (14) angeordnet ist, oder wobei zwischen dem verformbaren Element (22; 22a-f; 30; 40; 150; 160) und der die Kavität (16) parallel zur Bewegungsebene definierende Schicht (32a-b) eine reibungsarme Schicht angeordnet ist. 32. MEMS transducer according to one of the preceding claims, wherein the deformable element (22; 22a-f; 30; 40; 150; 160) is contact-free relative to a layer (32a-b) defining the cavity (16) parallel to the plane of movement. or wherein a low-friction layer is arranged between the deformable element (22; 22a-f; 30; 40; 150; 160) and the layer (32a-b) defining the cavity (16) parallel to the plane of movement is.
33. MEMS-Wandler gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das verformbare Element (22; 22a-f; 30; 40; 150; 160) als Bimorph ausgebildet ist, der eine Aktuierungsrichtung (59, 59 ) aufweist, entlang der der das verformbare Element (22; 22a-f; 30; 40; 150; 160) durch Anlegen einer elektrischen Spannung auslenkbar ist. 33. A MEMS converter according to one of the preceding claims, wherein the deformable element (22; 22a-f; 30; 40; 150; 160) is formed as a bimorph having an actuation direction (59, 59) along which the deformable element (22; 22a-f; 30; 40; 150; 160) is deflectable by applying an electrical voltage.
34. MEMS-Wandler gemäß Anspruch 33, bei dem das verformbare Element (22; 22a-f; 34. The MEMS transducer of claim 33, wherein the deformable element (22; 22a-f;
30; 40; 150; 160) ein erstes (30a), ein zweites (30b) und ein drittes Balkensegment (30c) aufweist, die in dieser Reihenfolge entlang der axialen Richtung (y) angeord- net sind und jeweils entgegen gerichtete Aktuierungsrichtungen (59a-c) aufweisen.  30; 40; 150; 160) comprises a first (30a), a second (30b) and a third beam segment (30c) arranged in this order along the axial direction (y) and each having opposite directions of actuation (59a-c).
35. MEMS-Wandler gemäß Anspruch 34, bei dem der elektromechanische Wandler (18; 35. A MEMS converter according to claim 34, wherein the electromechanical transducer (18;
18a-f) ein erstes und ein zweites verformbares Element (22; 22a-f; 30; 40; 150; 160) umfasst, wobei ein äußeres Baikensegment (30a, 30c) des ersten verformbaren Elements (22; 22a-f; 30; 40; 150; 160) und ein äußeres Balkensegment (30a, 30c) des zweiten verformbaren Elements (22; 22a-f; 30; 40; 150; 160) zumindest mittelbar mit einander verbunden sind.  18a-f) comprises first and second deformable members (22; 22a-f; 30; 40; 150; 160), wherein an outer Baikensegment (30a, 30c) of the first deformable member (22; 22a-f; 30; 40; 150; 160) and an outer beam segment (30a, 30c) of the second deformable member (22; 22a-f; 30; 40; 150; 160) are at least indirectly interconnected.
36. MEMS-Wandler gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Substrat ( 14) ein Ankerelement (84) aufweist; wobei das verformbare Element (22; 22a-f; 30; 40; 150; 160) in einem Mittenbereich (30b) einer axialen Erstreckungsrichtung (y) des verformbaren Elements (22; 22a-f; 30; 40; 150; 160) mit dem Ankereiement (84) verbunden ist; oder wobei das verformbare Element (22; 22a-f; 30; 40; 150; 160) an einem äußeren Balkensegment (30a, 30c) über das Ankerelement (84) mit einem weiteren verformbaren Element verbunden ist. A MEMS transducer according to any one of the preceding claims, wherein the substrate (14) comprises an anchor member (84); wherein the deformable member (22; 22a-f; 30; 40; 150; 160) in a central region (30b) of an axial extension direction (y) of the deformable member (22; 22a-f; 30; 40; 150; 160) the Ankereiement (84) is connected; or wherein the deformable element (22; 22a-f; 30; 40; 150; 160) on an outer beam segment (30a, 30c) is connected via the anchor element (84) to a further deformable element.
MEMS-Wandler gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das verformbare Element (22; 22a-f; 30; 40; 150; 160) eine Balkenstruktur aufweist, wobei die Balkenstruktur an einem ersten und einem zweiten Ende fest eingespannt ist. A MEMS transducer according to any one of the preceding claims, wherein the deformable element (22; 22a-f; 30; 40; 150; 160) has a beam structure, the beam structure being fixedly clamped at first and second ends.
MEMS-Wandler gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Kavität (16) eine Öffnung (26) in dem Substrat (14) aufweist, die senkrecht zu der lateralen Bewegungsrichtung (24) angeordnet ist, so dass der Volumenstrom (12) basierend auf der Verformung des verformbaren Elements (22; 22a-f; 30; 40; 150; 160) senkrecht zu der lateralen Bewegungsrichtung (24) aus der Kavität ( 16) oder in die Kavität (16) strömt. The MEMS transducer according to one of the preceding claims, wherein the cavity (16) has an opening (26) in the substrate (14) which is arranged perpendicular to the lateral movement direction (24), so that the volume flow (12) based on the Deformation of the deformable element (22; 22a-f; 30; 40; 150; 160) perpendicular to the lateral direction of movement (24) from the cavity (16) or into the cavity (16) flows.
MEMS-Wandler gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das verformbare Element benachbart zu der Öffnung (26) angeordnet ist. A MEMS transducer according to any one of the preceding claims, wherein the deformable element is disposed adjacent the aperture (26).
MEMS-Wandler gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, der als eines aus einer MEMS-Pumpe, einem MEMS-Lautsprecher, einem MEMS-Mikrophon, einem MEMS-Ventil, einem MEMS-Dosiersystem, ausgeführt ist. A MEMS converter according to any one of the preceding claims, embodied as one of a MEMS pump, a MEMS speaker, a MEMS microphone, a MEMS valve, a MEMS dosing system.
41 . Vorrichtung mit einem MEMS-Wandler gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der der MEMS-Wandler als MEMS-Lautsprecher ausgebildet ist, wobei die Vorrichtung als mobile Musikwiedergabevorrichtung oder als Kopfhörer ausgebildet ist. 41. Device having a MEMS converter according to one of the preceding claims, in which the MEMS converter is designed as a MEMS loudspeaker, wherein the device is designed as a mobile music playback device or as headphones.
42. System mit einem MEMS-Wandler gemäß einem der Ansprüche 1 bis 38, wobei der MEMS-Wandler als Lautsprecher ausgeführt ist und ausgebildet ist, um aufbauend auf einem Ausgabesignal ein akustisches Signal wiederzugeben. 42. A MEMS transducer system according to any one of claims 1 to 38, wherein the MEMS transducer is implemented as a loudspeaker and is adapted to reproduce an audible signal based on an output signal.
43. System gemäß Anspruch 42, das als Universalübersetzer oder als Navigationsassistenzsystem ausgebildet ist. 43. System according to claim 42, which is designed as a universal translator or as a navigation assistance system.
44. Halbleiterschicht, die an einer ersten Schichthauptseite (29a) eine erste elektronische Struktur (31 a) mit dem ersten Abstandsraster (33a) aufweist und die an einer zweiten, gegenüberliegenden Schichthauptseite (29b) eine zweite elektronische Struktur (31 b) mit einem zweiten Abstandsraster (33b) aufweist, wobei die erste und die zweite elektronische Struktur (31 a, 31 b) elektrisch mit einander verbunden sind. 44. semiconductor layer having on a first layer main side (29 a) a first electronic structure (31 a) with the first spacing grid (33 a) and on a second, opposite layer main side (29 b) a second electronic Structure (31 b) having a second pitch grid (33 b), wherein the first and the second electronic structure (31 a, 31 b) are electrically connected to each other.
MEMS-Schichtstapel mit einer Halbleiterschicht gemäß Anspruch 44 und mit einer Schaltungsschicht, die eine elektronische Schaltung (17) umfassend ein erstes Abstandsraster (33a) aufweist; wobei die elektronische Schaltung (17) mit der ersten elektronischen Struktur verbunden ist, so dass elektrische Schaltung (17) über die zweite Schichthauptseite (29b) kontaktierbar ist. A MEMS layer stack comprising a semiconductor layer according to claim 44 and comprising a circuit layer comprising an electronic circuit (17) comprising a first pitch grid (33a); wherein the electronic circuit (17) is connected to the first electronic structure so that electrical circuit (17) is contactable via the second layer main side (29b).
MEMS-Schichtstapel gemäß Anspruch 45, der einen MEMS-Wandler zum Interagie- ren mit einem Volumenstrom (12) eines Fluids bildet und folgendes umfasst: ein Substrat ( 14), das einen Schichtstapel mit einer Mehrzahl von Schichten (32a-b, 34a-b, 36) aufweist, die eine Mehrzahl von Substratebenen bilden, und das eine Kavität (16) in dem Schichtstapel aufweist; einen eiektromechanischen Wandler (18; 18a-f), der mit dem Substrat (14) in der Kavität (16) verbunden ist und ein sich in zumindest einer Bewegungsebene der Mehrzahl von Substratebenen verformbares Element (22; 22a-f; 30; 40; 150; 160) aufweist, wobei eine Verformung des verformbaren Elements (22; 22a-f; 30; 40; 150; 160) in der Bewegungsebene und der Volumenstrom ( 12) des Fluids kausal zusammenhängen; wobei die elektronische Schaltung (17) über die Halbleiterschicht mit dem eiektromechanischen Wandler (18; 18a-f) verbunden ist; wobei die elektronische Schaltung ( 17; 7a-b) ausgebildet ist, um eine Konvertierung zwischen einer Verformung des verformbaren Elements (22; 22a-f; 30; 40; 150; 160) und einem elektrischen Signal bereitzustellen. The MEMS layer stack of claim 45 forming a MEMS transducer for interacting with a fluid flow (12) comprising: a substrate (14) comprising a layer stack having a plurality of layers (32a-b, 34a); b, 36) forming a plurality of substrate planes and having a cavity (16) in the layer stack; an electromechanical transducer (18; 18a-f) connected to the substrate (14) in the cavity (16) and an element (22; 22a-f; 30; 40; 40) deformable in at least one plane of movement of the plurality of substrate planes; 150; 160), wherein deformation of the deformable element (22; 22a-f; 30; 40; 150; 160) in the plane of motion and the volume flow (12) of the fluid are causally related; the electronic circuit (17) being connected to the electromechanical transducer (18; 18a-f) via the semiconductor layer; wherein the electronic circuit (17; 7a-b) is adapted to provide a conversion between deformation of the deformable member (22; 22a-f; 30; 40; 150; 160) and an electrical signal.
Gesundheitsassistenzsystem (220) mit: einer Sensoreinrichtung (35) zum Erfassen einer Vitalfunktion eines Körpers (37) und zum Ausgeben eines Sensorsignals (39) basierend auf der erfassten Vitalfunktion; eine Verarbeitungseinrichtung (41 ) zum Verarbeiten des Sensorsignals (39) und zu Bereitstellen eines Ausgabesignals (43) basierend auf der Verarbeitung; und einen Kopfhörer (200) umfassend einen MEMS-Wandler gemäß einem der Ansprüche 1 bis 38, wobei der MEMS-Wandler als Lautsprecher ausgeführt ist und der eine Drahtlos-Kommunikationsschnittstelle zum Empfangen des Ausgabesignals (43) umfasst und ausgebildet ist, um aufbauend hierauf ein akustisches Signal wiederzugeben. A health assistance system (220) comprising: sensor means (35) for detecting a vital function of a body (37) and outputting a sensor signal (39) based on the detected vital function; processing means (41) for processing the sensor signal (39) and providing an output signal (43) based on the processing; and a headset (200) comprising a MEMS converter according to any one of claims 1 to 38, wherein the MEMS converter is implemented as a loudspeaker and which comprises and is designed to receive a wireless communication interface for receiving the output signal (43) to play the acoustic signal.
Gesundheitsassistenzsystem gemäß Anspruch 47, bei dem der Kopfhörer als In- Ear-Kopfhörer gebildet ist. Health assistance system according to claim 47, wherein the headset is formed as in-ear headphones.
Verfahren zum Bereitstellen eines MEMS-Wandler zum Interagieren mit einem Volumenstrom (12) eines Fluids mit folgenden Schritten: Method for providing a MEMS converter for interacting with a volume flow (12) of a fluid, comprising the following steps:
Bereitstellen eines Substrats (14), das einen Schichtstapel mit einer Mehrzahl von Schichten (32a-b, 34a-b, 36), die eine Mehrzahl von Substratebenen bilden, und das eine Kavität (16) in dem Schichtstapel aufweist; Providing a substrate (14) comprising a layer stack having a plurality of layers (32a-b, 34a-b, 36) forming a plurality of substrate planes and having a cavity (16) in the layer stack;
Erzeugen eines elektromechanischen Wandlers (18; 18a-f), in dem Substrat (14), so dass dieser mit dem Substrat (14) in der Kavität (16) verbunden ist und ein sich in zumindest einer Bewegungsebene der Mehrzahl von Substratebenen verformbares Element (22; 22a-f; 30; 40; 150; 160) aufweist, wobei eine Verformung des verformbaren Elements (22; 22a-f; 30; 40; 150; 160) in der Bewegungsebene und der Volumenstrom ( 12) des Fluids kausal zusammenhängen; Producing an electromechanical transducer (18; 18a-f) in the substrate (14) so that it is connected to the substrate (14) in the cavity (16) and a deformable element in at least one movement plane of the plurality of substrate planes (FIG. 22; 22a-f; 30; 40; 150; 160), wherein deformation of the deformable element (22; 22a-f; 30; 40; 150; 160) in the plane of motion and the volume flow (12) of the fluid are causally related ;
Anordnen einer elektronischen Schaltung (17; 17a-b) in einer Schicht (32a-b) des Schichtstapels, so dass die elektronische Schaltung (17; 17a-b) mit dem elektromechanischen Wandler (18; 18a-f) verbunden ist, und ausgebildet ist, um eine Konvertierung zwischen einer Verformung des verformbaren Elements (22; 22a-f; 30; 40; 150; 160) und einem elektrischen Signal bereitzustellen. Arranging an electronic circuit (17; 17a-b) in a layer (32a-b) of the layer stack so that the electronic circuit (17; 17a-b) is connected to the electromechanical transducer (18; 18a-f) and formed to provide a conversion between deformation of the deformable member (22; 22a-f; 30; 40; 150; 160) and an electrical signal.
Verfahren zum Bereitstellen einer Halbleiterschicht mit folgenden Schritten: Method for providing a semiconductor layer, comprising the following steps:
Anordnen einer ersten elektronischen Struktur (31 a) an einer ersten Schichthauptseite (29a), so dass die erste elektronische Struktur ein erstes Abstandsraster (33a) aufweist; Anordnen einer zweiten elektronischen Struktur (31 b) an einer zweiten, gegenüberliegenden Schichthauptseite (29b), so dass diese ein zweites Abstandsraster (33b) aufweist; und Arranging a first electronic structure (31 a) on a first layer main side (29 a), such that the first electronic structure has a first spacing grid (33 a); Arranging a second electronic structure (31b) on a second opposite layer main side (29b) so that it has a second spacing grid (33b); and
Verbinden der ersten und zweiten elektrischen Struktur (31 a, 31 b) mit einander. Connecting the first and second electrical structure (31 a, 31 b) with each other.
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